‘2차원 물질’ 이종합성의 난제 풀었다
-무결점 이종접합물질, 전자소자의 차세대 핵심물질로 활용 기대 -
□ 한국과학기술연구원 김수민 박사, 기초과학연구원 나노구조물리연구단
이영희 연구단장(성균관대학교), 동국대학교 김기강 교수가 공동연구를 통해 두
가지 원소(질소와 붕소)로 구성된 2차원 물질인 질화붕소*를 단결정으로
합성하는 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)는
밝혔다.
* 질화붕소(Hexagonal boron nitride; hBN) : 그래핀과
같은 육각형 원자구조로 탄소 대신 붕소와 질소로 일어진 판상 구조를 갖는 소재
□ 이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science)
11월 16일 자에 게재되었다.
※ 논문명 : Wafer-scale single-crystal
hexagonal boron nitride film via self-collimated grain formation
※ 주저자 : 이주송 연구원(KIST,
제1저자), 김수민 박사(KIST, 교신저자), 이영희 단장(기초과학연구원
나노구조물리연구단, 교신저자), 김기강 교수(동국대, 교신저자)
□ 2차원 물질들은 전기적인 특성, 유연성, 투명성이 우수해 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 또한 기체를
투과시키지 않아, 소자의 보호 장벽으로 활용 가능성이 높다. 그
중 질화붕소는 2차원 물질 중에서 유일하게 절연 특성이 있어, 투명한 유연 전자소자의 절연층으로써 주목받고 있다.
○ 그러나 질화붕소의 특성을 유지하기 위해 단결정* 형태로 합성해야 하는 난제가 남아있다. 기존 합성법으로 개발된 대면적질화붕소는 다결정* 형태로 합성되어, 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하고 절연 특성이 떨어지는 문제가 있다.
* 단결정 : 결정 전체가 규칙적으로 일정한 결정축을 따라
모여 있는 상태
* 다결정 : 여러 결정이 불규칙적으로 모여있는 상태. 결정 간 결합이 불완전함.
□ 연구팀은 액상 금 표면 위에서, 질화붕소의
결정립이 동일한 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤*’ 현상을 이용해 단결정
질화붕소 박막을 합성했다. 이 방법은 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정
형태를 합성할 수 있다.
* 자기 줄맞춤(self-collimation) : 액상의
금 표면에서 질화붕소 결정립이 형성되면 질소와 붕소원자들이 전기적인 상호 인력을 일으켜 서로 밀어내거나 당기면서 적정 거리를 유지하는 현상
○ 매끄러운 액체 상태의 금 표면 위에서 질화붕소의 원료 물질을 쉽게 흡착‧이동시켜, 크기가 균일한 원형의 질화붕소 결정립을 합성했다. 각각의
질화붕소 결정립이 임의로 이동하다가 결정립의 가장자리에 있는 질소와 붕소 사이에서 전기적인 상호 인력이 유도되고, 그 결과 결정립이 스스로 줄맞추어 배열되는 현상을 이용한 것이다.
□ 또한 제작된 단결정 질화붕소 박막을 기판으로 활용해, 반금속성
소재인 그래핀, 반도체성 소재인 이황화몰리브덴(MoS2),
이황화텅스텐(WS2) 등 다른 2차원
소재들도 단결정으로 합성했다. 나아가 그래핀*과
질화붕소가 층을 이루는 이종 적층구조를 직접 합성하는 데 성공했다.
* 그래핀(Graphene) : 탄소의 동소체 중 하나이며
탄소 원자들이 육각형 원자구조로 매우 얇으면서 물리적․화학적 안정성이 높음
□ 이번 연구결과는 세계 최초로 이종 원소로 구성된 2차원
소재를 대면적 단결정으로 합성할 수 있는 원천기술 개발한 것일 뿐만 아니라, 다양한 2차원 소재의 이종 적층구조를 대면적 단결정으로 성장할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한
것으로 평가받고 있다. 이를 바탕으로, 차세대 투명
유연 전자 소자 및 가스 배리어, 센서, 필터 등의
개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다.
□ 김수민 박사는 “이 연구는 그래핀을 포함해 두 가지 원소로 구성된 단결정 2차원 물질을 합성하는 새로운 방법을 제안함으로써, 다양한
2차원 이종 적층구조 개발의 새로운 장을 열었다”라며 연구의 의의를 밝혔다.
□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구지원사업(개인연구), 기초과학연구원, 한국과학기술연구원 기관고유사업의 지원으로
수행되었다.
이 누리집은 대한민국 공식 전자정부 누리집입니다.
181116 조간 (보도) 2차원 물질 이종합성의 난제 풀었다(엠바고 16일 04시).hwp
181116 조간 (보도) 2차원 물질 이종합성의 난제 풀었다(엠바고 16일 04시).pdf
