2차원 물질의 합성 및 응용
2018-10-02
org.kosen.entty.User@70dc60a6
오진우(mk235)
1. 개요
2004년 Geim 교수와 Novoselov 교수는 이론적으로만 제작 가능성이 보고되었던 그래핀(Graphene)을 처음으로 분리했다1. 그래핀은 흑연을 뜻하는 Graphite와 탄소 이중결합을 의미하는 –ene 접미어를 결합하여 만든 용어이다. 그래핀은 한 층의 원자로 이루어진 결정성 물질이며, 아주 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 보인다. 그래핀의 분리 이후, 다양한 2차원 재료가 발견되었고, 벌크(Bulk)재료와는 다른 특징을 보이기 때문에 태양광 발전, 반도체, 전극 등에 활용이 되고 있다. 더 나아가 2차원 재료가 층을 이루어 결합한 구조는 반데르발스 헤테로 구조 (Van der Waals Heterostructure)2 라고 부르며, 기존의 2차원 재료와 다른 특징을 보일 수 있다고 기대하고 있다.
그림 1. 연간 발행되는 논문의 수
2차원 재료의 특별한 성질과 확장성 때문에 다양한 매년 발행되는 논문의 수는 크게 증가하고 있는 추세이다. 이번 KOSEN Report 에서는 그래핀을 포함한 2차원 소재에 대한 소개 및 합성 방법, 응용 분야 등에 대해 소개를 하고자 한다.
2. 그래핀의 합성과 응용
2.1. 그래핀의 특징
그래핀은 탄소 원자가 벌집모양으로 존재하는 원자 단일층 재료이다. 그래핀은 다른 탄소 재료들과 다르게 매우 뛰어난 전자이동도 (~200,000 cm2/V.s)3, 높은 열전도도 (~4,000 W/m.K)4, 높은 영계수 (~1 TPa)5 등 특별한 물리적, 기계적 성질을 가지고 있다. 이런 특성 때문에 그래핀은 차세대 신소재로 각광받으며, 꿈의 신소재라고 불린다. 그래핀의 성질 중 전기적 성질은 다른 재료에서 볼 수 없는 특이한 거동을 보인다. 그래핀은 반도체가 가지는 특징인 밴드 구조(Band structure)를 가져 반금속(Semi-metal)로 분류가 되고 있다.
2.2. 그래핀의 합성
그래핀의 합성법은 크게 세 가지, 1) 물리적 박리법 (Mechanical exfoliation)1, 2) 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)7, 3) 화학적 박리법 (Chemical exfoliation)8 등으로 분류할 수 있다. 이 방법들은 서로 다른 퀄리티를 가지는 그래핀을 서로 다른 양(Quantity)으로 박리 혹은 합성할 수 있으며, 사용 목적에 따라 합성법을 결정할 수 있다.
2.2.1 물리적 박리법 (Mechanical exfoliation)
물리적 박리법은 기계적인 힘을 이용하여 흑연 (Graphite, 여러 층의 그래핀이 쌓인 형태)을 한장씩 분리하는 방법으로, 앞서 언급했던 Geim 교수와 Novoselov 교수가 개발한 스카치 테이프 방법 (Schotch tape method)가 대표적인 물리적 박리법이다. 이 방법은 아주 작은 크기의 그래핀을 소량 만들 수 있는 방법이기 때문에 산업적으로는 응용을 할 수 없지만 흠(defect)이 적은 그래핀을 분리해 냄으로써 물리, 화학, 전기적인 특성 등을 확인하는 실험에 적용하기 적합하다.
2.2.2 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)
화학 기상 증착법은 구리나 니켈 등의 금속 판을 이용해 그래핀을 합성하는 방법이다. 비교적 뛰어난 결정을 가지는 그래핀을 대면적에서 얻을 수 있는 방법으로, 탄소 전구체를 기판 에 흡착-반응시켜 탄소원자들이 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다. 주소 사용하는 금속 촉매는 구리와 니켈 등 전이금속 촉매이며, 금, 백금 등의 촉매 위에서도 합성이 된다. 다른 합성법에 비해 가장 넓은 면적의 그래핀을 합성할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에 적용시키기 위한 합성법으로 각광받고 있다.
2.2.3 화학적 박리법 (Chemical exfoliation)
화학적 박리법은 흑연의 산화 및 환원을 이용한 방법이다. 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화를 시켜 그래파이트 옥사이드 (Graphite oxide)로 제작한 후, 초음파 등을 이용하여 박리를 진행하면 그래핀 옥사이드 (Graphene oxide, GO)를 제작할 수 있다. 그래핀 옥사이드를 화학적 환원 (Chemical reduction) 이나 열 환원 (Thermal reduction) 등의 방법을 통해 환원 그래핀 (Reduced graphene oxide, rGO) 를 제작할 수 있다. rGO는 다른 방법으로 제작된 그래핀에 비해 질이 매우 떨어진다는 단점이 있지만 그래핀 표면에 관능기 (Functional group) 가 많고, 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있다.
2.3. 그래핀의 응용분야
그래핀을 이용한 나노 소재는 다양한 성능과 파급효과를 가지며 이를 이용한 부품, 완제품 등 다양한 산업으로의 응용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등의 특성이 가장 뛰어난 물질이기 때문에 디스플레이, 배터리, 태양전지, 복합체 등 다양한 산업으로의 응용이 가능한 소재이다. 그래핀은 원자층 두께에 불과하여 가시광선에서의 빛 투과도가 97%에 이르며, 동시에 매우 뛰어난 전기전도도를 가지기 때문에 면저항 특성에 따라 OLED, 광학필터, 터치스크린 등에 사용되는 투명 전극에 적용을 할 수 있을 것이라고 기대되고 있다. 그래핀의 응용분야는 투명 터치패널 외에도 유연성을 이용한 플렉서블 (Flexible) 디스플레이, 방열 필름, 바닷물 담수화필터, 이차전지용 전극, 열전 (Thermoelectric)의 재료 등 산업의 전반적 분야에 걸쳐있다.9
그림 2 다양한 2차원 소재들. 왼쪽 위부터 시계방향으로 그래핀, 이황화 몰리브덴, 흑린, 육방정계 붕화질소의 개략도
3. 2차원 물질의 종류와 합성 및 응용
3.1. 2차원 물질 연구동향
그래핀 이후 다양한 2차원 소재가 등장하고 있다. 2차원 소재란 하나의 원자 층으로 이루어진 결정형 물질의 단일 층을 의미한다. 2차원 소재는 전기적 성질에 따라 도체(그래핀 등), 반도체(전이금속 디칼코게나이드) 그리고 부도체 (육방정계 질화붕소)으로 나눌 수 있다. 2차원 소재는 태양전지와 반도체 분야, 전극, 정수 분야 등에 적용되고 있다. 700 여종의 2차원 물질이 안정적으로 존재할 수 있을 것이라고 알려져 있지만, 주로 합성되고, 사용되는 2차원 물질은 몇 가지로 한정되어있다. 해당 챕터에서는 그래핀을 제외하고 상대적으로 많이 연구되고 있는 2차원 물질 중 반도체 특성을 가지는 이황화 몰리브덴 (MoS2)와 흑린 (Black phosphorus) 그리고 부도체 성질을 보이는 육방정계 질화붕소 (Hexagonal boron nitride), 대한 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.
3.2. 전이금속 칼코게나이드 (Transition metal dicalcogenides, TMDCs)
전이금속 칼코게나이드 (Transition metal dicalcogenides, TMDCs)는 그래핀 이후 각광받는 2차원 재료로, 자연에서 발견되는 암석에서 얻어질 수 있는 물질이다. 칼코게나이드 계의 반도체 물질은 그래파이트와 같은 방식으로 박리되어 단원자 층으로 분리가 될 수 있다는 것이 보고 되었으며, 전이금속 칼코게나이드 또한 단원자 수준의 두께를 가지는 박막으로 가공될 수 있는데, 전이금속 칼코게나이드 단일 층 (Single layered MoS2)은 벌크 형태와 사뭇 다른 전기적 특징을 보인다. 예를 들어 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2) 단일층은 밴드갭을 가지지 않는 그래핀과 달리 이황화 몰리브덴 단일층은 다이렉트 밴드갭을 가지고 있다. 이는 전기장과 같은 외부 조건이 주어지지 않는다면 부도체 특성을 지니지만, 일정한 전기장이나 다른 외부 효과가 가해지면 전도체로 변하는 특성을 보인다는 뜻이다.
전이금속 칼코게나이드는 그래핀처럼 다양한 방법으로 제작을 할 수 있다. 1) 벌크 상태에서 박리를 진행하거나, 2) 화학 기상 증착법 혹은 3) 에피텍셜 합성법 (Epitaxial growth) 을 통해서 합성이 가능하다. 그래핀과 마찬가지로 벌크 상태에서 박리를 진행하여 제작하는 전이금속 칼코게나이드는 두께가 일정하지 못하고, 대면적의 필름을 얻을 수 없다는 단점이 있지만, 높은 결정성을 가지는 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면 화학 기상 증착법이나 에피텍셜 합성법의 경우 대면적의 전이금속 칼코게나이드 필름을 상당히 좋은 퀄리티를 유지한 채 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 그 합성법이 매우 까다롭고 공정 조건이 복잡하다는 단점이 있다.
그래핀과 달리 반도체 특성을 가지는 전이금속 칼코게나이드 단일 층은 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 예를 들어 전자소자화를 진행하여 트랜지스터 등에 적용하거나, 광감성을 이용하여 빛 센서 등에 적용을 진행하기도 한다. 또한 다른 2차원 물질과의 헤테로 구조를 도입하는 식으로의 응용이 진행중이다. 이황화 몰리브덴을 포함한 전이금속 디칼코게나이드는 가스 분자가 화합물 표면에 접착하였을 때 전하수송에 의해 전기적 특성이 민감하게 변한다는 특성이 있어, 고 민감도의 가스센서로 응용하기 위한 연구가 진행중이다.10
3.2. 흑린, (Black phosphorus)
흑린은 인 (P) 원자로 이루어진 2차원 소재이다. 2014년도에 최초로 2차원 흑린이 제작되었으며, 동소체인 백린(폭죽과 화약에 사용) 혹은 적린(성냥 머리에 사용)을 고온 고압환경에서 처리하여 제작할 수 있다. 그래핀과 마찬가지로 육각 벌집 모양의 결정구조를 가지지만, 한 방향을 따라 규칙적으로 구부러진 모양을 가지는 주름진 육각벌집 구조를 가진다. 흑린은 주름진 구조 때문에 방향에 따라 다른 성능을 보인다. 흑린은 다른 2차원 물질에 비해 기계적으로 불안정한데, 그 이유는 대기중에서 산화 등의 문제가 발생하기 때문이다.
흑린의 전자 밴드 구조는 흑린의 두께에 따라 0.3 ~ 2.0 eV 로 변하지만, 이황화 몰리브덴과 달리 항상 다이렉트 밴드갭을 유지한다는 특징을 보인다. 다이렉트 밴드갭을 가지는 반도체 물질은 빛과 강하게 상호작용할 수 있으며, 밴드갭을 두께에 따라 제어할 수 있기 때문에 원적외선부터 가시광까지 폭 넓은 스펙트럼 대역을 포괄하여 광소자에 적용하기가 용이하다. 흑린을 이용하여 p형 및 n형 스위칭 소재가 구현되었고, 이를 이용하여 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 회로 구성을 진행한 연구결과가 있다. 11
3.3. 육방정계 질화붕소, (Hexagonal boron nitride, hBN)
hBN이라고 불리는 육방정계 질화붕소는 붕소(Boron)과 질소(Nitrogen)가 1:1 비율로 구성되어 있는 화합물 중 육방정계 결정구조를 가지는 물질을 말한다. hBN은 그래핀과 유사하게 육각형의 평평한 벌집구조를 가진다. 질소와 붕소의 원자간 거리는 144 피코미터(picometer, 10-12 미터)로 그래핀의 탄소간 거리인 142 피코미터와 굉장히 유사하다. 또한 붕소와 질소가 강한 공유결합(Covalent bond)으로 결합되어 있기 때문에 물리적, 화학적으로 안정하다. hBN은 공기중에서 1,000도까지 구조를 유지하며, 그래핀과 마찬가지로 투명성, 유연성, 우수한 기계적 강도 등의 특징을 가지고 있다.
반면 hBN의 밴드 구조는 그래핀과 큰 차이가 있다. hBN의 밴드갭은 약 6eV으로 부도체의 특성을 보인다. 전자와 포논의 상호작용이 약하여 다른 탄소물질에 비해 더 높은 열전도성 (~400 W/mK)을 보인다. 이런 특징을 바탕으로 뛰어난 열전도성을 가지는 부도체 물질을 제작하는 곳에 사용이 되기도 한다.
4. 결론
2차원 물질은 기존의 재료에 비해 매우 특별한 성질을 갖고 있는 재료이며, 이 특징을 이용한 디바이스의 개발이 한창 이루어지고 있다. 2차원 물질의 특별한 전자 밴드 구조 (두께에 따라 변하는 전이금속 칼코게나이드와 두께에 따라 밴드갭이 달라지는 흑린 등)를 이용하여 나노 트랜지스터를 제작하기도 하고, 다이렉트 밴드갭의 특성을 이용하여 광센서 등으로 적용을 하기도 한다. 그래핀의 발견으로 시작된 2차원 물질의 발견 및 합성법의 개발은 이론적으로만 가능했던 저차원 물질을 이용한 디바이스의 개발을 가능하게 한다. 최근에는 2차원 물질의 복합화(헤테로 구조)를 통해 더욱 특별한 디바이스를 만들고자 하는 연구도 진행되고 있다. 2차원 물질을 이용한 연구는 아직 초기단계에 있지만, 2차원 물질의 특별한 성능은 앞으로 더욱 다양한 분야로의 적용에 대한 가능성을 열고 있다.
2004년 Geim 교수와 Novoselov 교수는 이론적으로만 제작 가능성이 보고되었던 그래핀(Graphene)을 처음으로 분리했다1. 그래핀은 흑연을 뜻하는 Graphite와 탄소 이중결합을 의미하는 –ene 접미어를 결합하여 만든 용어이다. 그래핀은 한 층의 원자로 이루어진 결정성 물질이며, 아주 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 보인다. 그래핀의 분리 이후, 다양한 2차원 재료가 발견되었고, 벌크(Bulk)재료와는 다른 특징을 보이기 때문에 태양광 발전, 반도체, 전극 등에 활용이 되고 있다. 더 나아가 2차원 재료가 층을 이루어 결합한 구조는 반데르발스 헤테로 구조 (Van der Waals Heterostructure)2 라고 부르며, 기존의 2차원 재료와 다른 특징을 보일 수 있다고 기대하고 있다.
그림 1. 연간 발행되는 논문의 수
2차원 재료의 특별한 성질과 확장성 때문에 다양한 매년 발행되는 논문의 수는 크게 증가하고 있는 추세이다. 이번 KOSEN Report 에서는 그래핀을 포함한 2차원 소재에 대한 소개 및 합성 방법, 응용 분야 등에 대해 소개를 하고자 한다.
2. 그래핀의 합성과 응용
2.1. 그래핀의 특징
그래핀은 탄소 원자가 벌집모양으로 존재하는 원자 단일층 재료이다. 그래핀은 다른 탄소 재료들과 다르게 매우 뛰어난 전자이동도 (~200,000 cm2/V.s)3, 높은 열전도도 (~4,000 W/m.K)4, 높은 영계수 (~1 TPa)5 등 특별한 물리적, 기계적 성질을 가지고 있다. 이런 특성 때문에 그래핀은 차세대 신소재로 각광받으며, 꿈의 신소재라고 불린다. 그래핀의 성질 중 전기적 성질은 다른 재료에서 볼 수 없는 특이한 거동을 보인다. 그래핀은 반도체가 가지는 특징인 밴드 구조(Band structure)를 가져 반금속(Semi-metal)로 분류가 되고 있다.
2.2. 그래핀의 합성
그래핀의 합성법은 크게 세 가지, 1) 물리적 박리법 (Mechanical exfoliation)1, 2) 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)7, 3) 화학적 박리법 (Chemical exfoliation)8 등으로 분류할 수 있다. 이 방법들은 서로 다른 퀄리티를 가지는 그래핀을 서로 다른 양(Quantity)으로 박리 혹은 합성할 수 있으며, 사용 목적에 따라 합성법을 결정할 수 있다.
2.2.1 물리적 박리법 (Mechanical exfoliation)
물리적 박리법은 기계적인 힘을 이용하여 흑연 (Graphite, 여러 층의 그래핀이 쌓인 형태)을 한장씩 분리하는 방법으로, 앞서 언급했던 Geim 교수와 Novoselov 교수가 개발한 스카치 테이프 방법 (Schotch tape method)가 대표적인 물리적 박리법이다. 이 방법은 아주 작은 크기의 그래핀을 소량 만들 수 있는 방법이기 때문에 산업적으로는 응용을 할 수 없지만 흠(defect)이 적은 그래핀을 분리해 냄으로써 물리, 화학, 전기적인 특성 등을 확인하는 실험에 적용하기 적합하다.
2.2.2 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition)
화학 기상 증착법은 구리나 니켈 등의 금속 판을 이용해 그래핀을 합성하는 방법이다. 비교적 뛰어난 결정을 가지는 그래핀을 대면적에서 얻을 수 있는 방법으로, 탄소 전구체를 기판 에 흡착-반응시켜 탄소원자들이 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다. 주소 사용하는 금속 촉매는 구리와 니켈 등 전이금속 촉매이며, 금, 백금 등의 촉매 위에서도 합성이 된다. 다른 합성법에 비해 가장 넓은 면적의 그래핀을 합성할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에 적용시키기 위한 합성법으로 각광받고 있다.
2.2.3 화학적 박리법 (Chemical exfoliation)
화학적 박리법은 흑연의 산화 및 환원을 이용한 방법이다. 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화를 시켜 그래파이트 옥사이드 (Graphite oxide)로 제작한 후, 초음파 등을 이용하여 박리를 진행하면 그래핀 옥사이드 (Graphene oxide, GO)를 제작할 수 있다. 그래핀 옥사이드를 화학적 환원 (Chemical reduction) 이나 열 환원 (Thermal reduction) 등의 방법을 통해 환원 그래핀 (Reduced graphene oxide, rGO) 를 제작할 수 있다. rGO는 다른 방법으로 제작된 그래핀에 비해 질이 매우 떨어진다는 단점이 있지만 그래핀 표면에 관능기 (Functional group) 가 많고, 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있다.
2.3. 그래핀의 응용분야
그래핀을 이용한 나노 소재는 다양한 성능과 파급효과를 가지며 이를 이용한 부품, 완제품 등 다양한 산업으로의 응용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등의 특성이 가장 뛰어난 물질이기 때문에 디스플레이, 배터리, 태양전지, 복합체 등 다양한 산업으로의 응용이 가능한 소재이다. 그래핀은 원자층 두께에 불과하여 가시광선에서의 빛 투과도가 97%에 이르며, 동시에 매우 뛰어난 전기전도도를 가지기 때문에 면저항 특성에 따라 OLED, 광학필터, 터치스크린 등에 사용되는 투명 전극에 적용을 할 수 있을 것이라고 기대되고 있다. 그래핀의 응용분야는 투명 터치패널 외에도 유연성을 이용한 플렉서블 (Flexible) 디스플레이, 방열 필름, 바닷물 담수화필터, 이차전지용 전극, 열전 (Thermoelectric)의 재료 등 산업의 전반적 분야에 걸쳐있다.9
그림 2 다양한 2차원 소재들. 왼쪽 위부터 시계방향으로 그래핀, 이황화 몰리브덴, 흑린, 육방정계 붕화질소의 개략도
3. 2차원 물질의 종류와 합성 및 응용
3.1. 2차원 물질 연구동향
그래핀 이후 다양한 2차원 소재가 등장하고 있다. 2차원 소재란 하나의 원자 층으로 이루어진 결정형 물질의 단일 층을 의미한다. 2차원 소재는 전기적 성질에 따라 도체(그래핀 등), 반도체(전이금속 디칼코게나이드) 그리고 부도체 (육방정계 질화붕소)으로 나눌 수 있다. 2차원 소재는 태양전지와 반도체 분야, 전극, 정수 분야 등에 적용되고 있다. 700 여종의 2차원 물질이 안정적으로 존재할 수 있을 것이라고 알려져 있지만, 주로 합성되고, 사용되는 2차원 물질은 몇 가지로 한정되어있다. 해당 챕터에서는 그래핀을 제외하고 상대적으로 많이 연구되고 있는 2차원 물질 중 반도체 특성을 가지는 이황화 몰리브덴 (MoS2)와 흑린 (Black phosphorus) 그리고 부도체 성질을 보이는 육방정계 질화붕소 (Hexagonal boron nitride), 대한 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다.
3.2. 전이금속 칼코게나이드 (Transition metal dicalcogenides, TMDCs)
전이금속 칼코게나이드 (Transition metal dicalcogenides, TMDCs)는 그래핀 이후 각광받는 2차원 재료로, 자연에서 발견되는 암석에서 얻어질 수 있는 물질이다. 칼코게나이드 계의 반도체 물질은 그래파이트와 같은 방식으로 박리되어 단원자 층으로 분리가 될 수 있다는 것이 보고 되었으며, 전이금속 칼코게나이드 또한 단원자 수준의 두께를 가지는 박막으로 가공될 수 있는데, 전이금속 칼코게나이드 단일 층 (Single layered MoS2)은 벌크 형태와 사뭇 다른 전기적 특징을 보인다. 예를 들어 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2) 단일층은 밴드갭을 가지지 않는 그래핀과 달리 이황화 몰리브덴 단일층은 다이렉트 밴드갭을 가지고 있다. 이는 전기장과 같은 외부 조건이 주어지지 않는다면 부도체 특성을 지니지만, 일정한 전기장이나 다른 외부 효과가 가해지면 전도체로 변하는 특성을 보인다는 뜻이다.
전이금속 칼코게나이드는 그래핀처럼 다양한 방법으로 제작을 할 수 있다. 1) 벌크 상태에서 박리를 진행하거나, 2) 화학 기상 증착법 혹은 3) 에피텍셜 합성법 (Epitaxial growth) 을 통해서 합성이 가능하다. 그래핀과 마찬가지로 벌크 상태에서 박리를 진행하여 제작하는 전이금속 칼코게나이드는 두께가 일정하지 못하고, 대면적의 필름을 얻을 수 없다는 단점이 있지만, 높은 결정성을 가지는 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면 화학 기상 증착법이나 에피텍셜 합성법의 경우 대면적의 전이금속 칼코게나이드 필름을 상당히 좋은 퀄리티를 유지한 채 제작할 수 있다는 장점이 있지만, 그 합성법이 매우 까다롭고 공정 조건이 복잡하다는 단점이 있다.
그래핀과 달리 반도체 특성을 가지는 전이금속 칼코게나이드 단일 층은 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 예를 들어 전자소자화를 진행하여 트랜지스터 등에 적용하거나, 광감성을 이용하여 빛 센서 등에 적용을 진행하기도 한다. 또한 다른 2차원 물질과의 헤테로 구조를 도입하는 식으로의 응용이 진행중이다. 이황화 몰리브덴을 포함한 전이금속 디칼코게나이드는 가스 분자가 화합물 표면에 접착하였을 때 전하수송에 의해 전기적 특성이 민감하게 변한다는 특성이 있어, 고 민감도의 가스센서로 응용하기 위한 연구가 진행중이다.10
3.2. 흑린, (Black phosphorus)
흑린은 인 (P) 원자로 이루어진 2차원 소재이다. 2014년도에 최초로 2차원 흑린이 제작되었으며, 동소체인 백린(폭죽과 화약에 사용) 혹은 적린(성냥 머리에 사용)을 고온 고압환경에서 처리하여 제작할 수 있다. 그래핀과 마찬가지로 육각 벌집 모양의 결정구조를 가지지만, 한 방향을 따라 규칙적으로 구부러진 모양을 가지는 주름진 육각벌집 구조를 가진다. 흑린은 주름진 구조 때문에 방향에 따라 다른 성능을 보인다. 흑린은 다른 2차원 물질에 비해 기계적으로 불안정한데, 그 이유는 대기중에서 산화 등의 문제가 발생하기 때문이다.
흑린의 전자 밴드 구조는 흑린의 두께에 따라 0.3 ~ 2.0 eV 로 변하지만, 이황화 몰리브덴과 달리 항상 다이렉트 밴드갭을 유지한다는 특징을 보인다. 다이렉트 밴드갭을 가지는 반도체 물질은 빛과 강하게 상호작용할 수 있으며, 밴드갭을 두께에 따라 제어할 수 있기 때문에 원적외선부터 가시광까지 폭 넓은 스펙트럼 대역을 포괄하여 광소자에 적용하기가 용이하다. 흑린을 이용하여 p형 및 n형 스위칭 소재가 구현되었고, 이를 이용하여 CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) 회로 구성을 진행한 연구결과가 있다. 11
3.3. 육방정계 질화붕소, (Hexagonal boron nitride, hBN)
hBN이라고 불리는 육방정계 질화붕소는 붕소(Boron)과 질소(Nitrogen)가 1:1 비율로 구성되어 있는 화합물 중 육방정계 결정구조를 가지는 물질을 말한다. hBN은 그래핀과 유사하게 육각형의 평평한 벌집구조를 가진다. 질소와 붕소의 원자간 거리는 144 피코미터(picometer, 10-12 미터)로 그래핀의 탄소간 거리인 142 피코미터와 굉장히 유사하다. 또한 붕소와 질소가 강한 공유결합(Covalent bond)으로 결합되어 있기 때문에 물리적, 화학적으로 안정하다. hBN은 공기중에서 1,000도까지 구조를 유지하며, 그래핀과 마찬가지로 투명성, 유연성, 우수한 기계적 강도 등의 특징을 가지고 있다.
반면 hBN의 밴드 구조는 그래핀과 큰 차이가 있다. hBN의 밴드갭은 약 6eV으로 부도체의 특성을 보인다. 전자와 포논의 상호작용이 약하여 다른 탄소물질에 비해 더 높은 열전도성 (~400 W/mK)을 보인다. 이런 특징을 바탕으로 뛰어난 열전도성을 가지는 부도체 물질을 제작하는 곳에 사용이 되기도 한다.
4. 결론
2차원 물질은 기존의 재료에 비해 매우 특별한 성질을 갖고 있는 재료이며, 이 특징을 이용한 디바이스의 개발이 한창 이루어지고 있다. 2차원 물질의 특별한 전자 밴드 구조 (두께에 따라 변하는 전이금속 칼코게나이드와 두께에 따라 밴드갭이 달라지는 흑린 등)를 이용하여 나노 트랜지스터를 제작하기도 하고, 다이렉트 밴드갭의 특성을 이용하여 광센서 등으로 적용을 하기도 한다. 그래핀의 발견으로 시작된 2차원 물질의 발견 및 합성법의 개발은 이론적으로만 가능했던 저차원 물질을 이용한 디바이스의 개발을 가능하게 한다. 최근에는 2차원 물질의 복합화(헤테로 구조)를 통해 더욱 특별한 디바이스를 만들고자 하는 연구도 진행되고 있다. 2차원 물질을 이용한 연구는 아직 초기단계에 있지만, 2차원 물질의 특별한 성능은 앞으로 더욱 다양한 분야로의 적용에 대한 가능성을 열고 있다.