재료 과학
그래핀과 같은 2D 소재가 재료 과학의 새로운 영역을 열다
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우연한 발견
일상적인 고체는 대체로 세 방향으로 크기를 가진 3차원 물질이다. 원자가 규칙적으로 배열된 결정질 물질과 장거리 질서가 없는 비정질 물질 등이 있으며, 원자 배열에 따라 성질이 달라진다.
원자층 수준으로 얇은 물질은 오래전부터 이론적으로 연구되었다. 2004년 맨체스터대학교의 안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 흑연에 접착테이프를 사용하는 박리법으로 단일층 그래핀을 분리하고 특성을 측정했다. 단순한 방법이었지만 체계적인 실험의 성과였다.
두 연구자는 그래핀에 관한 선구적 실험으로 2010년 노벨 물리학상을 받았다.
그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 배열된 한 층이다. 흑연도 무질서한 탄소가 아니라 이런 층이 쌓인 결정이며, 다이아몬드는 다른 3차원 결합 구조를 가진다. 나노튜브와 양자점은 각각 1차원·0차원 거동을 보이는 저차원 구조의 예이지만, 2004년에 모두 처음 발견된 것은 아니다.
출처: Ossila
이처럼 얇은 구조는 벌크 물질과 다른 전자적·열적·기계적 성질을 나타낼 수 있다.
그래핀은 전기와 열을 잘 전달한다. 흔히 빛의 속도의 약 1/300으로 표현되는 값은 전자의 페르미 속도이며, 회로에서 전자가 이동하는 평균 속도와 동일하지 않다. 이상적인 단일층은 매우 높은 인장강도를 보이고 가시광선의 약 2.3%를 흡수하지만, 실제 시료의 성질은 결함과 제조법에 따라 달라진다.
그래핀 그 이상
그래핀의 특이한 성질은 전기적·화학적·물리적 특성을 연구하는 많은 과학자의 관심을 끌었다.
다른 원소나 화합물에서도 2차원 구조가 가능하다. 이론적으로 예측된 후보 가운데 실제 합성된 물질도 있으며, 그래핀 이외의 주요 사례는 다음과 같다.
- 보로핀: 붕소로 이루어진 원자층으로, 2015년 실험적 합성이 보고되었다.
- 골든: 금으로 이루어진 원자층으로, 2024년 독립된 층을 얻는 방법이 보고되었다.
- 실리센: 규소 원자로 이루어진 얇은 층.
- 포스포렌: 인 원자로 이루어진 얇은 층.
2차원 물질은 단일 원소에만 한정되지 않는다. 이황화몰리브덴(MoS2)과 육방정 질화붕소(h-BN) 같은 화합물도 대표적인 예이다. 질화규소(Si3N4)의 얇은 막에 관한 연구도 있으나, 모든 박막이 안정한 단일 원자층 결정과 같은 의미는 아니다.
원자층에 다른 원자를 결합시킬 수도 있다. 예를 들어 그래핀에 수소가 결합한 그래페인은 원래 그래핀과 다른 구조와 성질을 가진다.
Edgar181 — 직접 제작, 퍼블릭 도메인, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234
물질의 종류가 다양하므로 각 구조의 잠재력과 한계를 따로 확인해야 한다.
응용을 가능하게 하는 기본 특성
원자 배열과 결합, 두께는 전자의 에너지 구조와 물질의 성질에 영향을 준다. 그러나 모든 2차원 물질이 그래핀과 동일한 성능을 갖는 것은 아니다.
일부는 높은 전기·열전도도와 기계적 강도를 나타내지만, 다른 물질은 반도체나 절연체이다. 공유결합은 원자가 전자쌍을 공유하는 결합이며, 모든 열전달을 단순한 원자 에너지 교환 하나로 설명할 수는 없다.
얇은 층은 질량에 비해 넓은 표면을 제공해 촉매와 센서에 유용할 수 있다. 실제 비표면적은 층의 재적층과 기공 구조에 따라 달라지므로 모든 2차원 물질이 모든 다공성 재료보다 높은 것은 아니다.
초전도체
일부 초박막과 특별히 구성한 2차원 계에서 초전도성이 관찰된다. 표면에서 전자가 잘 이동한다는 사실만으로 초전도성이 생기는 것은 아니다.
초전도체는 특정 조건에서 직류 전기저항이 사라지고 자기장에 대한 독특한 반응을 보이는 물질이다.
직류 저항 손실을 줄이는 것은 송전이나 자석 등에 유용할 수 있다. 그러나 냉각, 접속부, 교류 손실과 운전 조건까지 포함하면 시스템 전체가 손실이나 발열 없이 작동하는 것은 아니다.
상온·상압에서 실용적인 초전도체를 구현한다면 여러 기술에 도움이 될 수 있지만, 2024년에는 그러한 물질이 확립되지 않았다. 초전도만으로 핵융합이나 저비용 우주 발사가 해결되는 것도 아니다. 관련 내용은 상온 초전도체를 다룬 별도 기사에서 살펴본다.
다음과 같은 계에서는 적절한 온도·기판·압력·구조 등의 조건에서 2차원 초전도성을 연구한다:
- 단일 원소 금속의 초박막.
- 구리산화물 계열.
- 일부 페로브스카이트 산화물.
- 일부 희토류 중페르미온 화합물.
- 특정 각도로 겹친 그래핀 등 특수한 그래핀 구조.
- 산화물 기판 위의 셀레늄화철.
- 금속 표면의 일부 유기 전도체.
반도체
반도체는 전하 운반자의 농도 등을 조절해 전도도를 제어할 수 있는 물질이다. 트랜지스터는 이를 이용해 전류를 제어하고 논리 상태를 표현한다. 논리값 0과 1이 언제나 단순히 전류의 부재와 존재에 대응하는 것은 아니다.
소자의 빠른 스위칭은 고속 회로에 도움이 되지만, 실제 계산 속도는 배선, 전력, 발열과 회로 구조에도 좌우된다.
그래핀
그래핀은 높은 전하 이동도로 주목받았지만, 일반적인 단일층 그래핀에는 고유 밴드갭이 없어 디지털 트랜지스터에서 전류를 충분히 차단하기 어렵다.
밴드갭은 전자가 차지하는 에너지대와 전도에 참여할 수 있는 에너지대 사이의 간격이다. 반도체의 중요한 특성이지만, 밴드갭 하나만으로 모든 소자의 성능이나 재료의 용도를 결정할 수는 없다.
출처: Energy Education
이 한계 때문에 연구자들은 기판과의 상호작용이나 구조 제어로 밴드갭을 만드는 방법을 연구해 왔다. 그래핀의 모든 전자소자 활용이 불가능하다는 뜻은 아니다.
2024년에는 탄화규소 기판 위의 에피택셜 그래핀에서 반도체 특성을 구현한 연구가 발표되었다. 이는 특정 구조의 성과이지 모든 그래핀이 자동으로 반도체가 되었다는 의미는 아니다.
연구진의 설명을 요약하면, 이 구조는 밴드갭과 높은 전하 이동도를 함께 구현했으며 실리콘과 다른 특성도 보였다. 이동도 비교는 시료와 측정 조건에 따라 달라진다.
연구진은 재료 처리법과 특성 측정을 개선하는 데 오랜 시간이 필요했다고 설명했다. — 직접 인용이 아닌 요약.
골든
골든은 한 원자층 두께의 금으로, 그래핀과 마찬가지로 얇지만 결합과 전자 구조는 다르다. 탄소를 금으로 바꾸기만 한 동일한 물질은 아니다.
금은 높은 전도성과 산화에 대한 저항성 덕분에 전자부품의 접점과 연결부 등에 널리 쓰인다.
2024년 보고된 골든 합성은 원자층 금의 성질을 연구할 길을 열었다. 반도체 소자로서의 성능과 제조 가능성은 추가 검증이 필요하다.
연구진은 금도 극도로 얇아지면 벌크 금과 다른 전자적 성질을 보일 수 있다고 설명했다. 이는 모든 단일 원자층 금이 이미 실용 반도체로 입증되었다는 뜻은 아니다. — 연구진 설명의 요약.
유기 반도체
유기분자는 탄소를 중심으로 수소, 산소, 질소, 황 등 다양한 원소를 포함할 수 있다.
최근 연구에서는 유기 고분자의 배열을 2차원 구조로 제어하고 층 사이의 불필요한 적층을 줄이는 방법이 보고되었다.
출처: POSTECH
연구진은 전하 운반자 조절을 위해 p형 도핑도 이용했다.
p형 도핑은 정공을 주요 전하 운반자로 만드는 과정이다. 유기재료에서는 분자 도펀트에 의한 전하 이동 등으로 구현할 수 있으며, 단순히 금속 원소를 더하는 과정만을 뜻하지 않는다.
출처: 위키미디어, VectorVoyager 제작
연구진은 해당 재료가 높은 전기전도도를 보였다고 보고했다. 실제 소자에 적용하려면 안정성과 가공성도 확인해야 한다.
유기 반도체는 2차원 전자재료의 또 다른 후보이다. 그래핀이나 골든의 제조가 어렵더라도 유기재료가 곧바로 대체재로 상용화된다고 단정할 수는 없다.
초고성능 소재
전자적 성질뿐 아니라 일부 2차원 물질의 기계적 특성도 응용 가능성이 있다.
그래핀의 강도가 강철보다 약 200배 높다는 표현은 이상적인 시료와 특정 비교 기준에 관한 것이며, 실제 복합재의 강도가 그대로 200배가 된다는 뜻은 아니다. 일부 콘크리트 연구에서는 그래핀 첨가로 강도와 물 침투 저항성이 개선된 결과가 보고되었다. 그래핀은 철처럼 녹슬지 않지만 철근을 자동으로 대체하거나 모든 콘크리트 열화를 막는 것은 아니다.
일부 2차원 물질의 강도와 낮은 질량은 방호용 복합재에도 활용될 수 있다. 완제품의 충격 저항성과 내구성은 별도로 검증해야 한다.
열 관리도 연구 분야이다. 예를 들어 2차원 유무기 하이브리드 페로브스카이트에서 낮은 열전도도와 높은 강성을 함께 구현한 연구가 있다. 여기서 절연은 문맥상 열전달 특성을 가리킨다.
반면 그래핀과 육방정 질화붕소는 전자·광전자 장치의 열을 분산시키는 재료로 연구된다. 방향과 계면에 따라 열전달 성능은 달라진다.
고강도 재료는 우주 엘리베이터 같은 미래 구상에도 거론된다. 그러나 긴 결함 없는 구조의 제조, 접합, 환경 내구성 등 여러 난제가 있어 대량생산만 해결하면 실현되는 것은 아니다.
바이오테크
넓은 표면적과 얇은 구조, 조절 가능한 화학적 성질은 2차원 물질을 의료·바이오 연구의 후보로 만든다.
연구 분야에는 약물 전달, 영상, 조직공학, 바이오센서와 가스센서가 포함된다. 연구 가능성이 곧 임상적 안전성이나 효능을 의미하지는 않는다.
일부 2차원 구조에 키랄성을 부여하거나 키랄 분자와 결합시키는 연구도 진행되고 있다.
키랄성은 거울상과 원래 구조를 겹쳐 일치시킬 수 없는 성질이다. 단순한 좌우 대칭을 뜻하지 않는다. 단백질의 구성 요소인 아미노산처럼 생물학적 반응에서 중요한 역할을 한다.
출처: UC Santa Barbara
키랄한 구조는 왼손과 오른손처럼 서로 거울상이지만 겹쳐 일치하지 않는다. 같은 성분이어도 생체분자와 상호작용하는 방식이 달라질 수 있다.
디판잔 판 교수의 설명을 요약한 내용.
연구진은 키랄한 보로핀 나노판을 합성해 생체세포와의 상호작용을 연구했다. 서로 다른 형태가 세포막과 상호작용하고 세포에 들어가는 양상이 달랐다. 이는 사람의 혈류에 투여해 안전성과 효능을 확인한 결과가 아니다.
이러한 연구는 세포와의 상호작용을 추적하는 영상재료나 표적 약물 전달체의 설계에 도움이 될 수 있다. 실제 의료 사용에는 추가 연구가 필요하다.
구조에 따른 세포 반응을 이해하는 일은 안전성을 평가하는 데도 중요하다.
관련 흡입 연구에서는 건강한 성인 14명이 통제된 조건에서 산화그래핀에 두 시간 노출되었을 때 뚜렷한 급성 심폐 영향이 관찰되지 않았다. 이는 장기 노출, 다른 입자 크기나 조성, 질환이 있는 사람 또는 모든 2차원 물질의 안전성을 입증하지 않는다.
생체적합성이 확인된다면 센서나 전달체 개발에 도움이 될 수 있다. 혈류 속 나노로봇을 구동하는 등의 구상은 별도의 기술적·의학적 검증이 필요한 미래 가능성이다.
제한 사항
대규모 제조
그래핀은 이미 일부 코팅과 복합재에 상업적으로 쓰인다. 그러나 고품질 단일층을 대면적으로 일정하게 제조하는 일은 여전히 어려우며, 모든 용도가 연구실 단계라는 표현도 정확하지 않다.
필요한 품질과 제품 형태에 따라 제조 난도가 다르다. 소량 박리와 대면적 전자소자용 단일층 생산은 서로 다른 공정과 품질 관리를 요구한다.
접착테이프 박리는 실험에 유용하지만, 다른 용도에는 화학기상증착(CVD), 액상 박리 등 여러 방법이 사용된다. 모든 그래핀 대량생산에 CVD가 필수인 것은 아니다.
제조법도 개선되고 있으며, 고순도 그래핀을 위한 무산소 CVD 공정 연구가 한 사례이다. 연구 성과와 경제적인 대량생산은 구분해야 한다.
접착
매우 얇은 층을 다른 기판으로 옮겨 붙일 때 오염, 주름과 접착력 문제가 생길 수 있다.
칩이나 의료기기에 적용하려면 용도에 맞는 전사, 표면 처리와 계면 제어 기술이 필요할 수 있다.
이 과정의 비용과 수율은 다른 재료를 선택할지 판단하는 중요한 요소이다.
비용
2차원 물질의 가격은 순도뿐 아니라 층 수, 결함, 면적, 생산량과 공급 형태에 따라 크게 달라진다.
예를 들어 그래핀에 대해 인용되는 킬로그램당 20~2,000달러 범위는 특정 형태의 제품에 관한 넓은 참고치이며, 전자소자용 단일층까지 포괄하는 현재 시세는 아니다.
이 가격 범위로 강철과 일률적인 비용 배수를 계산하는 것은 적절하지 않다. 실제 대체 가능성은 필요한 양, 가공비, 복합재 성능과 용도에 따라 달라진다.
2D 소재 기업
2차원 물질 분야는 새로운 구조와 제조법이 빠르게 연구되고 있다. 특정 실험의 성공이 곧바로 대량생산 제품이나 수익으로 이어지는 것은 아니다.
상업적 규모를 확대하려면 품질, 수율, 가격과 고객 수요를 함께 충족해야 한다.
CVD는 고품질 박막을 만드는 중요한 방법 중 하나이다. 그러나 박리와 다른 합성법도 사용되므로 CVD 장비업체가 모든 2차원 물질 시장의 가치를 차지한다고 단정할 수는 없다.
1. Veeco
VECO 가격 차트
1945년에 설립된 Veeco는 반도체 및 전자재료 제조용 장비를 공급한다. 장비는 EUV 관련 부품, 통신, 저장장치, LED와 전력전자 등 다양한 제조공정에 쓰이지만, 모든 완제품을 직접 만드는 것은 아니다.
출처: Veeco
Veeco의 장비 기술에는 유기금속 화학기상증착(MOCVD), 분자선 에피택시와 이온빔 공정 등이 있다. 보로핀의 실험적 합성법이 곧바로 Veeco의 MOCVD 제품과 동일하다는 뜻은 아니다.
출처: Veeco
박막 제조 투자가 늘면 Veeco에 기회가 생길 수 있다. 다만 실제 수혜는 고객의 장비 선택, 투자 시기와 경쟁에 달려 있다.
그래핀 등 신소재가 새로운 공정 수요를 만들 가능성은 있지만, 텅스텐이나 보로핀 연구가 모두 특정 장비 매출로 연결되지는 않는다.
디지털화, 인공지능과 전력전자 분야도 수요 요인이다. 경기와 반도체 설비투자 변동은 함께 고려해야 한다.
2. Graphene Manufacturing Group (GMG)
Graphene Manufacturing Group(GMG)은 그래핀을 생산하고 열교환기 코팅과 윤활제 등 응용제품을 개발하는 기업이다.
그래핀 사업에 직접 노출되는 기업이지만, 생산 확대와 제품 판매가 안정적인 수익을 보장하지는 않는다. 제조 능력과 실제 가동률·매출은 구분해야 한다.
출처: GMG
다른 가능성으로 그래핀 반도체 연구와 특수한 그래핀 구조의 초전도성 연구가 있다. 링크된 MIT 연구는 상온 초전도체의 실현을 입증하지 않았다. 배터리나 수소용기 코팅도 연구·개발 분야이며 GMG가 모두 상용화했다는 뜻은 아니다.
출처: GMG
GMG는 메탄을 분해해 탄소를 그래핀으로 만들고 수소를 부산물로 얻는다. 메탄과 수소를 모두 원료로 더하는 방식이라는 설명은 부정확하다. 순도·비용·확장성의 이점은 실제 공정 성능과 비교 조건에 따라 평가해야 한다.
GMG는 2023년 호주에서 열교환기 코팅 제조설비를 가동했다고 발표했으며, 연간 최대 100만 리터라는 수치는 설계 생산능력이다. 실제 판매량이나 그래핀 자체의 생산량과는 다르다.
GMG는 그래핀 알루미늄이온 배터리도 개발하고 있다. 290 Wh/kg, 60배 빠른 충전, 세 배 수명 같은 초기 수치는 특정 연구 조건이나 목표에 관한 것으로, 2024년 상용 대형 배터리가 이 성능을 모두 동시에 달성했다는 의미가 아니다. 시제품 확대와 독립 검증이 필요하다.
출처: GMG
배터리 개발은 GMG에 성장 기회이자 기술·자금·상용화 위험이다. 전기차 등 특정 용도에 적합한지는 완성된 셀과 팩의 에너지밀도, 수명, 안전성과 비용으로 판단해야 한다.
