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지식나눔

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2차원 전이금속디칼코겐화합물의 대면적화

2020-09-01 org.kosen.entty.User@2d483109 김아름(akkim)
  • 4
2차원 전이금속디칼코겐화합물(2D-Transition Metal Dichalcogenide, 2D-TMDC)에 대한 연구는 많이 진행되고 있지만 아직까지는 대면적화가 불가능하여 실제 생활에 응용되기는 어려워보입니다. 그래핀처럼 시간이 지나면 대면적화도 가능해지고, 실제 적용할 수 있는 분야도 다양해질 것으로 보시는지, 그렇다면 어떤 방법으로 대면적화가 이루어질 것이며, 가장 각광받을 수 있는 적용 분야는 무엇이 있을 지 궁금합니다.

pse3598
  • 2D
  • TMDC
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답변 4
  • 답변

    김종훈님의 답변

    2020-09-05
    • 4
    CVD, ALD공정은 꾸준히 개발되고 있고 특히나 한 원자층씩 증착하는 대표적인 공정인 ALD가 더 개발된다면 대면적화의 가능성은 열려있다고 봅니다. 더 극한까지의 진공 기술과 Grain size를 늘리는 발명도 요구될 것이고요. 요즘 논문을 보면 TMDC를 그래핀 따라 membrane 등 mechanical application으로 연구하는 쪽도 있는 것 같습니다만 각광받게된 주원인은 그래핀의 zero bandgap문제가 없는 대체제라는 점입니다. 물론 Trade-off로 그래핀 수준의 mobility는 일정부분 포기해야겠지만 bandgap은 존재하니 off-current를 확보할수 있고 direct-bandgap으로 소비전력이 적을 뿐 아니라 광전자소자로의 응용도 가능합니다.
    답변수정
    CVD, ALD공정은 꾸준히 개발되고 있고 특히나 한 원자층씩 증착하는 대표적인 공정인 ALD가 더 개발된다면 대면적화의 가능성은 열려있다고 봅니다. 더 극한까지의 진공 기술과 Grain size를 늘리는 발명도 요구될 것이고요. 요즘 논문을 보면 TMDC를 그래핀 따라 membrane 등 mechanical application으로 연구하는 쪽도 있는 것 같습니다만 각광받게된 주원인은 그래핀의 zero bandgap문제가 없는 대체제라는 점입니다. 물론 Trade-off로 그래핀 수준의 mobility는 일정부분 포기해야겠지만 bandgap은 존재하니 off-current를 확보할수 있고 direct-bandgap으로 소비전력이 적을 뿐 아니라 광전자소자로의 응용도 가능합니다.
    김아름(akkim) 2020-09-05

    ALD로도 TMDC를 만들 수 있군요! 관련 논문들을 몇 개 찾아보게 되었습니다. 답변 감사합니다.

  • 답변

    이창석님의 답변

    2020-09-14
    • 3
    그래핀 및 TMDCs 계열의 2차원 물질의 대면적 합성법은 다수 보고되고 있습니다. 기본적인 CVD 공정 기반의 성장법과 용액공정 기반의 합성법, 그리고 대면적이면서 수율도 높은 roll-to-roll 공정 기반의 성장 기술도 보고되고 있습니다. 또한 이러한 2차원 물질의 양산형 설비를 특화하여 제작하는 설비사들도 있습니다. 생각보다 너무 많아서 하나만 예를 들면 Aixtron사가 있습니다.

    문제는 대면적화가 아니고, 정말로 2차원 소재가 유용하게 활용될 응용 분야가 있느냐는 것입니다. 기존 물질과 대비해서 명확한 장점이 있고, 응용을 함에 있어 공정상에 불리함이 없어야 하고, 임팩트 있는 기술 분야를 찾는다면, 대면적화 기술은 설령 한참 부족하더라도 빠르게 발전될 수 있습니다.

    그래핀은 탄소 단원자로 구성된 물질이고 성장에 관한 연구가 활발하게 진행되었습니다. 말씀하신 TMDCs는 이원계 물질이고, 통상적으로 liquid source를 활용하기 떄문에 그래핀보다 성장이 어려운건 맞습니다. 최근 ALD 기술이 다양하게 발전하면서 TMDCs 성장에도 접목되고 있습니다. 핵심은 앞에서도 언급한것처럼, 4", 6" 수준으로 합성된 MoS2를 바탕으로 impact있는 응용 분야를 찾는 일입니다.

    2차원 재료 성장에 대해서는 시카고대 박지웅 교수님, MIT 김지환 교수님의 논문을 찾아보시면 도움이 되실것 같습니다.
    답변수정
    그래핀 및 TMDCs 계열의 2차원 물질의 대면적 합성법은 다수 보고되고 있습니다. 기본적인 CVD 공정 기반의 성장법과 용액공정 기반의 합성법, 그리고 대면적이면서 수율도 높은 roll-to-roll 공정 기반의 성장 기술도 보고되고 있습니다. 또한 이러한 2차원 물질의 양산형 설비를 특화하여 제작하는 설비사들도 있습니다. 생각보다 너무 많아서 하나만 예를 들면 Aixtron사가 있습니다.

    문제는 대면적화가 아니고, 정말로 2차원 소재가 유용하게 활용될 응용 분야가 있느냐는 것입니다. 기존 물질과 대비해서 명확한 장점이 있고, 응용을 함에 있어 공정상에 불리함이 없어야 하고, 임팩트 있는 기술 분야를 찾는다면, 대면적화 기술은 설령 한참 부족하더라도 빠르게 발전될 수 있습니다.

    그래핀은 탄소 단원자로 구성된 물질이고 성장에 관한 연구가 활발하게 진행되었습니다. 말씀하신 TMDCs는 이원계 물질이고, 통상적으로 liquid source를 활용하기 떄문에 그래핀보다 성장이 어려운건 맞습니다. 최근 ALD 기술이 다양하게 발전하면서 TMDCs 성장에도 접목되고 있습니다. 핵심은 앞에서도 언급한것처럼, 4", 6" 수준으로 합성된 MoS2를 바탕으로 impact있는 응용 분야를 찾는 일입니다.

    2차원 재료 성장에 대해서는 시카고대 박지웅 교수님, MIT 김지환 교수님의 논문을 찾아보시면 도움이 되실것 같습니다.
    김아름(akkim) 2020-09-15

    답변 감사합니다. 알려주신 해당 랩 논문들도 한 번 읽어보겠습니다.

  • 답변

    김종수님의 답변

    2020-09-28
    • 2
    대학원때 그래핀, MoS2 쪽을 연구하고 직접 합성도 해봤습니다만 공정 컨트롤도 어렵고 약간의 defect에도 성능이 현저히 떨어집니다. 특히 대학원떄는 트랜지스터 MOSFET쪽에서의 application으로 연구를 했고 대부분의 분들이 마찬가지일텐데,, 산업체에서 보니 반도체 업계에선 이런 Front 뿐 아니라 Back End단도 상당히 중요한 걸 알게됐습니다. 그리고 그래핀, MoS2 등 2D물질은 이곳에서도 적용이 가능할 뿐더러 실용화 측면으로도 더 가능성이 있어보입니다.
    아무래도 BEOL는 생소한 분야이실거 같은데 이미지와 함께 정리해둔 자료가 있으니 아래 URL에서 확인해보시면 좋을 것 같습니다.
    https://blog.naver.com/kjskumal/222101601873
    답변수정
    대학원때 그래핀, MoS2 쪽을 연구하고 직접 합성도 해봤습니다만 공정 컨트롤도 어렵고 약간의 defect에도 성능이 현저히 떨어집니다. 특히 대학원떄는 트랜지스터 MOSFET쪽에서의 application으로 연구를 했고 대부분의 분들이 마찬가지일텐데,, 산업체에서 보니 반도체 업계에선 이런 Front 뿐 아니라 Back End단도 상당히 중요한 걸 알게됐습니다. 그리고 그래핀, MoS2 등 2D물질은 이곳에서도 적용이 가능할 뿐더러 실용화 측면으로도 더 가능성이 있어보입니다.
    아무래도 BEOL는 생소한 분야이실거 같은데 이미지와 함께 정리해둔 자료가 있으니 아래 URL에서 확인해보시면 좋을 것 같습니다.
    https://blog.naver.com/kjskumal/222101601873
    김아름(akkim) 2020-09-29

    답변 감사합니다. 반도체 BEOL에서의 적용 가능성도 배우게 되었습니다.

  • 답변

    정연학님의 답변

    2020-09-03
    • 1
    MoS2
    전이금속 디칼코겐화합물(TMD)은 2개의, 칼코겐 원소(X)[즉, 06족 원소]층 사이에 전이금속(M)
     단일원소층의 샌드위치처럼 끼어 있는 화합물(그림 3 참조)로서, 화학식은 MX2이고, 위에서 보면 그래핀 구조에서 전이금속과 칼코겐 원소가 번갈아 있는 것처럼 보이게 된다.
    MoS2는 CVD를 이용해 대면적 소재 개발이 가능한데, 최근 CVD를 통해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하였다는 연구 결과가 보고되고 있습니다.
    답변수정
    MoS2
    전이금속 디칼코겐화합물(TMD)은 2개의, 칼코겐 원소(X)[즉, 06족 원소]층 사이에 전이금속(M)
     단일원소층의 샌드위치처럼 끼어 있는 화합물(그림 3 참조)로서, 화학식은 MX2이고, 위에서 보면 그래핀 구조에서 전이금속과 칼코겐 원소가 번갈아 있는 것처럼 보이게 된다.
    MoS2는 CVD를 이용해 대면적 소재 개발이 가능한데, 최근 CVD를 통해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하였다는 연구 결과가 보고되고 있습니다.
    김아름(akkim) 2020-09-04

    답변 감사합니다. 말씀해주신 4인치 MoS2 내용에 대한 출처를 알 수 있을까요? 저는 최근에 Science에 출판된 논문(10.1126/science.aba1416)을 읽고, 질이 좋으면서(defect이 없는) 대면적화가 가능한 공정이 나오기엔 시간이 좀 걸리지 않을까 하는 생각이 들어 질문 드렸습니다.

    정연학(jyh164) 2020-09-04

    Kang K. et al. (2015), “High-mobility three-atom-thick semiconducting films with wafer-scale homogeneity”, ？Nature？, 520, 656 . "science on에서 Abstract 봤습니다".

    김아름(akkim) 2020-09-05

    읽어보겠습니다. 감사합니다.

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