반도체 소재로 주목받는 그래핀과 2차원 소재

Question

반도체 소재로 주목받는 그래핀과 2차원 소재의 전기적, 열적 특성은 무엇인가요? 상온 초전도체 구현을 위한 핵심 물리적 조건과 양자 컴퓨터의 큐비트 안정성을 향상시키는 초전도체 기술의 최신 연구 동향도 알려주세요

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

그래핀과 2차원 소재는 매우 높은 전자 이동도와 다이아몬드를 뛰어넘는 뛰어난 열전도도를 자랑하며 밴드갭 형성 및 방열 특성 덕분에 차세대 반도체 신소재로 크게 각광받고 있습니다 상온 초전도체를 구현하기 위해서는 강력한 전자 글루 형성을 통한 높은 쿠퍼쌍 결합 에너지 유지 높은 전자 밀도 그리고 고압 환경이나 결정 격자 내 유효 변형을 통한 안정적인 격자 구조 형성이 필수적인 물리적 조건으로 꼽힙니다 양자 컴퓨터의 초전도 큐비트 안정성을 향상시키기 위해 탄탈륨 등 고성능 초전도 재료 기반 회로 설계 트랜스몬 플럭소니움 구조 개량 그리고 위상 절연체 및 이종접합 계면 제어 기술 연구가 활발히 진행 중입니다 이러한 기술들은 결함에 의한 유전 손실을 극복하고 전자기장 잡음을 효율적으로 차단함으로써 양자 오류율을 크게 줄이는 핵심 동력으로 평가받고 있습니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

그래핀은 전자가 거의 부딪히지 않고 움직여서 전하 이동도가 실리콘보다 수십 배 높고, 열전도율도 구리의 10배가 넘어 알려진 물질 중 최상위권이에요. 그런데 전기를 끊는 문턱인 밴드갭이 없어서 트랜지스터로 쓰기 어려워요. 그래서 이황화몰리브덴 같은 2차원 반도체가 함께 주목받는데, 한 층 두께에서도 밴드갭이 있어 스위칭이 되고 수 나노미터 이하로 얇아져도 성능이 덜 떨어져요. 전기가 통하지 않는 육방정 질화붕소는 이들을 감싸는 보호층으로 쓰이고요.

상온 초전도의 핵심 조건은 전자 두 개를 짝지어주는 힘이 강하고 빨라야 한다는 거예요. 기존 이론에서는 원자가 가볍고 격자 진동이 빠를수록 유리해서 수소가 많은 화합물이 후보로 꼽혀요. 실제로 수소화물에서 영하 20도 근처의 초전도가 확인됐지만, 대기압의 150만 배가 넘는 압력이 필요해 이 상태를 상압에서 유지하는 게 가장 큰 과제예요.

큐비트 쪽은 소재 표면과 경계면의 미세한 결함이 에너지를 빼앗아 양자 상태를 무너뜨리는 게 주된 문제예요. 최근에는 산화막이 안정적인 탄탈럼을 초전도 배선으로 쓰고, 기판을 사파이어 대신 고순도 실리콘으로 바꿔 결맞음 시간을 기존의 약 3배인 1밀리초 수준까지 늘린 결과가 나왔어요 :)