7강. 2차원 반도체란 무엇인가? 그래핀·MoS₂·WS₂의 가능성
2차원 반도체란 무엇인가?
반도체 산업은 오랫동안 실리콘을 중심으로 발전해 왔습니다. 트랜지스터의 크기를 줄이고 더 많은 소자를 하나의 칩에 집적하면서 컴퓨터와 스마트폰, 데이터센터의 성능은 빠르게 향상됐습니다.
하지만 5nm, 3nm, 2nm와 같은 초미세 공정으로 들어오면서 새로운 문제가 등장했습니다.
트랜지스터의 크기를 계속 줄이는 것만으로는 앞으로의 성능 향상을 보장하기 어려워졌기 때문입니다.
특히 트랜지스터의 채널이 매우 짧아지면 단채널 효과(Short Channel Effect)가 증가하고, 게이트가 채널의 전류를 충분히 제어하기 어려워집니다. 또한 누설전류와 접촉저항, 열 문제 등 다양한 물리적 한계가 나타납니다.
이러한 상황에서 연구자들이 주목하는 기술 중 하나가 바로 2차원 반도체(2D Semiconductor)입니다.
2차원 반도체는 원자 한 층 또는 몇 개의 원자층으로 이루어진 매우 얇은 물질입니다.
대표적으로 그래핀(Graphene), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂), 이셀렌화텅스텐(WSe₂) 등이 연구되고 있습니다.
특히 MoS₂와 WS₂ 같은 전이금속 칼코게나이드(TMD)는 차세대 초미세 트랜지스터의 채널 소재로 활발하게 연구되고 있습니다.
그래핀은 어떻게 등장했을까?
2차원 소재 연구를 이야기할 때 가장 먼저 등장하는 물질이 그래핀(Graphene)입니다.
그래핀은 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형 구조로 연결된 한 층짜리 물질입니다.
일반적인 흑연은 여러 층의 그래핀이 쌓여 있는 구조라고 생각할 수 있습니다.
그런데 그래핀 한 층만 분리하면 매우 독특한 물리적 특성을 나타냅니다.
2004년 Novoselov와 Geim 연구팀은 원자층 수준의 탄소막을 이용한 전기적 특성을 Science에 발표했습니다.
이 연구에서는 몇 개 원자층 수준의 탄소막이 안정적으로 존재할 수 있으며, 그래핀이 매우 높은 전하 이동 특성과 독특한 전기적 성질을 나타낼 수 있음을 보여주었습니다.
이 연구는 이후 그래핀과 2차원 물질 연구가 폭발적으로 확대되는 중요한 계기가 되었습니다.
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하지만 그래핀은 반도체 소재로 사용하기에는 중요한 문제가 있습니다.
바로 밴드갭(Band Gap)이 거의 없다는 것입니다.
밴드갭이란 무엇인가?
반도체를 이해하려면 밴드갭이라는 개념을 알아야 합니다.
전자에게는 여러 에너지 상태가 존재합니다.
이 가운데 전자가 주로 존재하는 영역을 가전자대(Valence Band)라고 하고, 전자가 이동하면서 전류를 만드는 데 중요한 영역을 전도대(Conduction Band)라고 합니다.
두 영역 사이의 에너지 차이가 바로 밴드갭입니다.
반도체는 이 밴드갭을 이용해 전류의 흐름을 제어할 수 있습니다.
트랜지스터에서는 게이트 전압을 이용해 채널의 전자 또는 정공 농도를 조절하고, 결과적으로 전류를 켜고 끌 수 있습니다.
그런데 그래핀은 일반적인 반도체와 달리 밴드갭이 거의 없는 준금속(semimetal) 특성을 가지고 있습니다.
그래핀의 높은 전기적 성능은 장점이지만, 디지털 논리 트랜지스터에서 요구되는 명확한 ON/OFF 제어에는 불리할 수 있습니다.
따라서 연구자들은 그래핀뿐만 아니라 실제로 밴드갭을 가진 2차원 반도체에 관심을 갖기 시작했습니다.
MoS₂와 WS₂가 주목받는 이유
대표적인 2차원 반도체가 바로 MoS₂와 WS₂입니다.
MoS₂는 몰리브덴과 황으로 이루어진 물질이고, WS₂는 텅스텐과 황으로 이루어진 물질입니다.
이들은 전이금속 칼코게나이드(TMD)라는 물질군에 속합니다.
이 물질들의 중요한 특징은 매우 얇은 원자층으로 만들 수 있으면서도 반도체 특성을 나타낸다는 것입니다.
특히 단층에 가까운 매우 얇은 구조에서도 전자적·광학적 특성을 유지할 수 있기 때문에 차세대 트랜지스터 소재 후보로 연구되고 있습니다.
Nature Reviews Electrical Engineering의 2024년 리뷰에서는 MoS₂, WS₂, WSe₂, MoTe₂, InSe 등의 2차원 반도체가 매우 짧은 게이트 길이와 초박막 채널을 가진 FET에서 우수한 특성을 보여 왔다고 정리했습니다. 또한 원자층 수준으로 얇은 채널이 단채널 효과를 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 설명합니다.
왜 얇은 채널이 중요한가?
6강에서 살펴본 것처럼 트랜지스터가 작아질수록 게이트가 채널을 얼마나 정확하게 제어할 수 있는가가 중요해집니다.
기존 실리콘 트랜지스터의 채널은 일정한 두께를 가지고 있습니다.
반면 2차원 반도체는 원자 한 층 또는 몇 개 층으로 구성할 수 있습니다.
채널이 매우 얇으면 게이트 전기장이 채널 전체에 더 효과적으로 영향을 줄 수 있습니다.
이를 쉽게 표현하면 다음과 같습니다.
두꺼운 채널
→ 게이트의 영향이 채널 내부까지 전달되는 데 한계
초박막 채널
→ 게이트가 채널 전체를 보다 강하게 제어
따라서 트랜지스터가 극도로 작아질수록 원자층 수준으로 얇은 2차원 소재가 새로운 가능성을 제공할 수 있습니다.
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2차원 반도체는 얼마나 작게 만들 수 있을까?
이 부분이 2차원 반도체가 주목받는 가장 중요한 이유 중 하나입니다.
실리콘 트랜지스터는 계속해서 크기를 줄여왔지만, 채널이 너무 짧아지면 전기적으로 채널을 제어하기 어려워집니다.
반면 2차원 반도체는 원자층 수준의 두께를 가지고 있습니다.
따라서 채널 두께라는 측면에서는 사실상 극한에 가까운 구조를 구현할 수 있습니다.
2024년 Nature Electronics에 소개된 연구에서는 단층 MoS₂를 이용해 19nm 채널 길이와 12nm 접촉 길이를 가진 트랜지스터가 보고됐습니다. 연구에서는 약 1,100μA/μm 수준의 온전류도 보고됐습니다.
이러한 결과는 2차원 반도체가 단순히 실험실에서만 존재하는 소재가 아니라 실제 초미세 트랜지스터 구조로 발전할 가능성을 보여주는 사례입니다.
하지만 2차원 반도체에도 문제가 있다
그렇다면 2차원 반도체를 실리콘 대신 사용하면 모든 문제가 해결될까요?
그렇지는 않습니다.
2차원 반도체에는 아직 해결해야 할 문제가 많습니다.
대표적인 문제가 바로 접촉저항(Contact Resistance)입니다.
트랜지스터의 채널이 아무리 우수해도 Source와 Drain 전극에서 전자가 원활하게 이동하지 못하면 전체 소자의 성능이 떨어집니다.
또 다른 문제는 결함(Defect)입니다.
원자 한 층 수준의 물질에서는 아주 작은 결함이나 불순물도 소자의 전기적 특성에 영향을 줄 수 있습니다.
그리고 대면적 생산도 중요한 문제입니다.
실험실에서 작은 면적의 고품질 MoS₂를 만드는 것과 300mm 웨이퍼 전체에 균일한 품질의 MoS₂를 만드는 것은 완전히 다른 문제입니다.
Nature Electronics는 2024년 2차원 TMD 전자소자의 주요 과제로 재료 결함, 금속 접촉, 절연막, 도핑, p형 접촉 등을 지적했습니다.
최근 연구에서는 어디까지 발전했을까?
2차원 반도체 연구는 최근에도 빠르게 진행되고 있습니다.
2025년 Nature Electronics에 발표된 연구에서는 채널과 접촉 길이가 모두 35nm 이하인 고성능 MoS₂ 트랜지스터가 보고됐습니다.
연구진은 접촉 공학과 고유전율(high-κ) 절연막 등을 이용해 2차원 트랜지스터의 성능을 높였습니다. 다만 짧은 접촉 길이에서 발생하는 높은 접촉저항과 OFF 상태 누설전류는 여전히 중요한 문제로 남아 있다고 설명합니다.
2026년에는 연구가 더욱 발전하고 있습니다.
Nature Nanotechnology에 발표된 2026년 연구에서는 MoS₂와 WS₂, WSe₂ 기반 단층 2차원 나노리본 트랜지스터가 연구됐습니다.
이 연구에서는 나노리본의 채널 길이와 폭을 약 25~30nm까지 줄였으며, n형 MoS₂와 WS₂, p형 WSe₂ 소자를 구현했습니다.
이는 2차원 반도체가 단순히 얇은 소재라는 차원을 넘어 폭과 길이까지 나노미터 수준으로 제어하는 소자 기술로 발전하고 있음을 보여줍니다.
2차원 반도체를 여러 층 쌓을 수도 있을까?
2차원 소재의 또 다른 재미있는 특징은 서로 다른 소재를 쌓을 수 있다는 것입니다.
그래핀 위에 MoS₂를 올리고 그 위에 WS₂를 올리는 식으로 서로 다른 원자층 소재를 적층할 수 있습니다.
이러한 구조를 흔히 반데르발스 헤테로구조(van der Waals heterostructure)라고 합니다.
각 층은 강한 공유결합으로 연결되는 일반적인 3차원 결정과 달리 층 사이에 상대적으로 약한 반데르발스 상호작용이 작용합니다.
따라서 서로 다른 물질을 조합해 새로운 전기적·광학적 특성을 설계할 가능성이 있습니다.
이러한 적층 기술은 향후 단순한 트랜지스터뿐만 아니라 광센서, 메모리, 발광소자, 광전자소자 등 다양한 분야로 확장될 가능성이 있습니다.
2차원 반도체와 AI 반도체의 관계
2차원 반도체가 중요한 이유는 단순히 트랜지스터를 더 작게 만들기 위해서만은 아닙니다.
AI 반도체에서는 연산 성능과 전력 효율이 매우 중요합니다.
AI 모델이 커질수록 더 많은 트랜지스터와 메모리, 인터커넥트가 필요합니다.
따라서 미래의 AI 반도체에서는 작은 면적에서 더 많은 연산을 수행하고, 가능한 한 적은 전력을 사용하는 것이 중요합니다.
2차원 반도체는 매우 얇은 채널과 높은 게이트 제어 능력을 활용할 가능성이 있기 때문에 미래의 초저전력 소자 후보로 연구되고 있습니다.
실제로 2025년 Nature Communications에서는 MoS₂ 기반 재구성 가능한 아날로그 하드웨어가 연구됐습니다. 이 연구는 2차원 소재가 단순한 디지털 트랜지스터를 넘어 아날로그 연산과 뉴로모픽 하드웨어로 활용될 가능성도 보여줍니다.
이 부분은 향후 우리가 살펴볼 AI 반도체와 뉴로모픽 컴퓨팅과도 연결됩니다.
2차원 반도체의 가장 큰 과제는 대량생산
현재 2차원 반도체가 실리콘을 당장 대체하기 어려운 가장 큰 이유 중 하나는 제조공정입니다.
반도체 산업에서는 하나의 우수한 트랜지스터를 만드는 것보다 수십억 개의 트랜지스터를 동일한 특성으로 생산하는 것이 훨씬 중요합니다.
따라서 다음과 같은 조건을 만족해야 합니다.
대면적 성장
→ 웨이퍼 전체에 균일한 소재 형성
낮은 결함 밀도
→ 소자의 전기적 특성 안정화
낮은 접촉저항
→ 전극과 채널 사이의 원활한 전하 이동
고품질 절연막
→ 게이트 제어 능력 확보
기존 CMOS 공정과의 호환성
→ 실제 반도체 생산라인에 적용
2025년 Nature Communications에서는 웨이퍼 규모 MoS₂ 단층을 기판으로 깨끗하게 전사하는 기술이 보고됐으며, 연구진은 거의 100%에 가까운 필름 온전성을 제시했습니다. 이러한 연구는 2차원 소재를 실제 반도체 공정에 적용하기 위한 제조 기술이 발전하고 있음을 보여줍니다.
또한 2025년에는 상온에서 용액 기반으로 웨이퍼 규모 MoS₂ 박막을 형성하는 연구도 발표됐습니다. 기존 고온 CVD 공정의 열 예산 문제를 줄일 가능성을 보여준 연구입니다.
2026년 연구가 보여주는 새로운 방향
2026년에는 2차원 반도체의 연구 방향이 더욱 다양해지고 있습니다.
최근 Nature Electronics에서는 NbS₂-MoS₂ 금속-반도체 헤테로구조를 웨이퍼 규모로 제작하고 이를 트랜지스터와 비휘발성 메모리에 활용하는 연구가 발표됐습니다.
이 연구에서는 기존 MoS₂에 비해 최대 9배 높은 ON 전류가 관찰됐으며, 144개의 FET에서 95.8%의 수율도 보고됐습니다. 이는 2차원 소재의 성능뿐 아니라 접촉 구조와 제조 수율을 함께 개선하려는 방향을 보여주는 사례입니다.
또한 2026년 Nature Communications에서는 MoS₂와 WSe₂에 고유전율 HfO₂ 절연막을 통합하는 방법이 연구됐으며, 매우 낮은 계면 트랩 밀도와 약 60mV/dec 수준의 서브스레숄드 스윙이 보고됐습니다.
이러한 연구들을 보면 2차원 반도체 기술의 핵심은 이제 단순히 “좋은 소재를 발견하는 것”에서 “소재·접촉·절연막·제조공정을 하나의 시스템으로 최적화하는 것”으로 이동하고 있다고 볼 수 있습니다.
그래핀에서 MoS₂와 WS₂로
2차원 반도체의 발전 과정은 다음과 같이 이해할 수 있습니다.
그래핀
→ 매우 높은 전기적 특성
→ 하지만 밴드갭 문제
↓
MoS₂·WS₂·WSe₂
→ 반도체 특성
→ 초박막 채널 가능
↓
2차원 트랜지스터
→ 초미세 채널
→ 강한 게이트 제어
↓
반데르발스 헤테로구조
→ 서로 다른 소재 적층
↓
2차원 CMOS
→ n형·p형 소자 통합
↓
차세대 AI·저전력 반도체
이러한 흐름이 현재 2차원 반도체 연구가 향하고 있는 중요한 방향입니다.
2차원 반도체가 실리콘을 대체할 수 있을까?
현재 단계에서 “2차원 반도체가 곧 실리콘을 대체한다”고 단정하기는 어렵습니다.
실리콘은 이미 수십 년 동안 축적된 제조공정과 대규모 생산 인프라를 가지고 있습니다.
반면 2차원 반도체는 아직 소재 성장, 결함, 접촉저항, 절연막, 대면적 제조, 수율 등 해결해야 할 문제가 많습니다.
따라서 가까운 미래에는 실리콘을 완전히 대체하기보다는 특정 초미세 소자나 특수한 전자·광전자 응용 분야에서 실리콘을 보완하는 방향이 현실적인 시나리오일 가능성이 높습니다.
다만 2차원 소재가 원자 수준의 얇은 채널이라는 독특한 장점을 가지고 있다는 점에서, 미래 반도체의 중요한 후보 중 하나라는 점은 분명합니다.
마무리
2차원 반도체는 원자 한 층 수준으로 얇은 물질을 이용해 새로운 전자소자를 만드는 기술입니다.
그래핀은 2차원 물질의 가능성을 보여주었고, 이후 MoS₂와 WS₂, WSe₂와 같은 TMD 계열 반도체가 등장하면서 실제 트랜지스터 소재로서의 가능성이 더욱 커졌습니다.
특히 2차원 반도체는
초박막 채널
강한 게이트 제어
단채널 효과 감소 가능성
반데르발스 적층
이라는 독특한 장점을 가지고 있습니다.
하지만 실제 산업에 적용하기 위해서는
결함 → 접촉저항 → 절연막 → 대면적 성장 → 수율 → CMOS 공정 호환성
이라는 여러 문제를 해결해야 합니다.
최근 2025~2026년 연구에서 웨이퍼 규모 전사, 나노리본 트랜지스터, 저온 MoS₂ 성장, 금속-반도체 헤테로구조 등 다양한 기술이 발전하고 있다는 점은 상당히 주목할 만합니다.
결국 2차원 반도체의 미래는 “실리콘을 완전히 대체할 수 있는가?”라는 질문보다,
“실리콘 CMOS가 더 이상 줄어들기 어려운 영역에서 2차원 소재를 어떻게 결합하고 활용할 것인가?”
라는 방향으로 보는 것이 더욱 현실적입니다.
그리고 이 기술은 다음 단계인 화합물 반도체와도 연결됩니다.
GaN, GaAs, InP, SiC와 같은 화합물 반도체는 실리콘과 다른 전기적·광학적 특성을 가지고 있으며, 특히 고주파·전력·광반도체 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다.
다음 8강에서는 「실리콘의 한계를 넘을 수 있을까? 화합물 반도체의 세계」를 살펴보겠습니다.
핵심 키워드
2차원 반도체, 그래핀, MoS2, WS2, WSe2, TMD, 나노반도체, 나노트랜지스터, 2D semiconductor, 2D transistor, 차세대 반도체, 반데르발스 헤테로구조, 원자층 반도체, 초박막 채널, 차세대 CMOS
참고문헌 및 최신 연구
Science
Novoselov, K. S. et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666–669 (2004). DOI: 10.1126/science.1102896.
Nature Reviews Electrical Engineering
Zeng, S. et al. Transistor engineering based on 2D materials in the post-silicon era. Nature Reviews Electrical Engineering 1, 335–348 (2024).
Nature Electronics
Wu, W.-C. et al. 2D transistors feel the squeeze. Nature Electronics 7, 517 (2024).
Sakib, N. U. et al. High-performance molybdenum disulfide transistors with channel and contact lengths below 35 nm. Nature Electronics 8, 1201–1210 (2025).
Nature Nanotechnology
Scaling nanoribbon transistors with monolayer transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology (2026).
Nature Communications
Se-mediated dry transfer of wafer-scale 2D semiconductors for advanced electronics. Nature Communications 16, 4468 (2025).
Non-volatile memories based on patterned metal–semiconductor heterostructures of niobium disulfide and molybdenum disulfide. Nature Electronics 9, 766–774 (2026).
유트
