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인류가 알고 있는 가장 강한 물질은 끈끈한 테이프로 처음 발견되었다. 오늘날 그래핀 (graphene)으로 알려진 탄소의 2 차원 (2D) 물질은 전세계의 대표적인 연구 대상이다. 많은 사람들이 그 독특한 속성이 전자에서 의학에 이르는 분야에서 사용되기를 희망하고 있다. 2D 란 원자의 단일 층을 의미한다. 그래핀의 경우 6 각형 패턴으로 정렬되어 있어 믿을 수 없을 정도로 강하다. 또한 전기와 열을 매우 잘 전달하고 가스를 통과시키지 않으며 부서지기 쉽고 연성이 될 수도 있다. 그러나 그래핀은 엄청난 관심을 받았고 발견자가 노벨상 수상자가 되었지만 더 많은 2D 재료가 존재하고 있다. 많은 다른 유사한 물질들이 그 이후에 예측되고 분리되어 왔으며, 각각은 그래핀과 유사한 구조적 성질을 가지지만 다양하고 독특한 특성을 가지고 있다. 사실, 다양한 특성을 가진 2D 소재가 너무 많아서 우리가 원하는 특성을 가진 새로운 3D 재료를 설계하고 제작하는데 효과적으로 사용할 수 있다. 원자 규모의 '레고 세트 (Lego set)'에 대한 아이디어는 새로운 물질에 잠재적으로 무한한 가능성을 창출한다. 이론적으로 거의 모든 3D 소재는 2D 대응물질을 가질 수 있다. 지금까지 리스트에는 실리센 (silicene, 실리콘 단일 층), 포스포렌 (phosphorene, 검은 인의 단일 층), 몰리브덴 이황화물 (MoS2) 및 몰리브덴 디텔러라이드 (MoTe2)와 같은 전이 금속 디칼코제나이드 (TMDC)로 알려진 다양한 화합물 단일 층을 포함한다. 이러한 물질을 분리하는데 수십 가지 방법이 연구되고 있다. 사용된 두 가지 주요 방법은 기계적 박리 (처음에는 접착 테이프로 개별 층을 격리하여 그래핀을 만드는데 사용되는 방법) 및 평면 기반 위에 직접 2D 결정 층을 효과적으로 성장시키는 것이다. 그러나 실제로는 현재 가능한 것에 많은 제한이 있다. 고도의 열적 및 화학적으로 안정한 물질 만이 단층으로 분리될 수 있으며, 이는 많은 원소에는 존재하지 않는 것이다. 그리고 일단 격리되면 많은 금속 단일 층은 원하는 특성을 파괴하는 방식으로 부식되거나 산화되는 경향이 있다. 2D 소재를 얻은 후에는 매우 다른 화학적 성질의 다른 물질로 층화되여 '헤테로 구조'를 만들 수 있다. 예를 들어 반도체와 자석 또는 금속과 초전도체를 결합할 수 있다. 가능한 조합 목록이 기하 급수적으로 늘어난다. 이들은 주사 터널링 현미경을 사용하여 원자 정밀도로 맞출 수 있다. 이 방법은 표면과 원자 현미경 탐침의 팁 사이에 전류를 발생시켜 개별 원자를 집어 들고 이동시키는 것과 관련이 있다. 실험실에서 만들어진 이러한 2D 헤테로 구조 중 하나는 그래핀과 육각형 질화 붕소 (h-BN)의 원자 단분자층을 결합한다. 2D 재료와 헤테로 구조는 이미 광범위한 영역에서 실제적이고 잠재적인 응용 프로그램을 많이 발견했다. 예를 들어, 그래핀은 적어도 실험실에서 유연한 플라스틱 기반에 회로를 인쇄하는 꿈을 가능하게 했다. 앞으로는 유연한 TV, 스마트 폰 및 보다 사용자 친화적인 웨어러블 장치와 같은 소비자 제품으로 이어질 수 있다. 다수의 다른 2D 재료를 발견한 덕분에 서로 다른 속성을 결합하는 거의 무한한 방법이 열렸다. 이렇게 하면 응용 프로그램의 개발 속도가 크게 향상되거나 빨라질 수 있다. 예를 들어 전통적인 실리콘 이산화물 대신에 그래핀 전자 장치의 기반으로 h-BN을 사용하면 이 기술의 문제점을 완화할 수 있다. h-BN 단일 층은 초 평탄하고 그래핀과 동일한 방식으로 분리될 수 있기 때문에 그래핀 시트의 특성을 방해하는 밑면의 원자 결함을 제거할 수 있다. 또한, 2D 소재 연구의 발전으로 컴퓨터 프로세서를 더욱 빠르게 만드는 새로운 방법이 가능하게 되었다. 전자 기술의 진보를 유지하는데 필수적인 것으로 간주된다. 컴퓨터 칩은 많은 수의 트랜지스터를 사용하여 계산한다. 각 트랜지스터는 서로 다른 층의 반도체 사이에서 전자를 이동시켜 작동한다. 둘 이상의 2D 소재를 사용하면 서로 다른 반도체 레이어를 하나의 원자 두께로 만들 수 있다. 트랜지스터가 작아짐에 따라 더 많은 트랜지스터가 각 컴퓨터 칩에 배치될 수 있으며, 그러면 자연스럽게 더 빠른 프로세서가 생산된다. 또한 우리는 에너지 생성 및 저장을 돕는데 사용되는 그래핀 및 기타 2D 재료를 볼 수 있다. 예를 들어, 그래핀 기반 헤테로 구조는 매우 효율적이고 유연한 태양 전지 및 연료 전지를 만드는데 사용할 수 있다. 이러한 헤테로 구조는 차세대 배터리 및 수퍼 커패시터를 개발하는데에도 사용되고 있으며, 이는 빠른 충전 및 확장된 에너지 출력을 보장한다. 테슬라와 같은 전기 자동차 및 회사의 성장으로 우리는 친환경 에너지 전환 및 저장 솔루션의 미래를 앞당길 수 있을 것으로 예상되며 가까운 미래에 이러한 종류의 기술에 큰 관심을 기울일 것이다. |
