2차원 신소재 연구동향 및 전망
2019-01-28
org.kosen.entty.User@31fdb9e7
전영인(yijhon)
2차원 신소재 연구동향 및 전망
전영인, yijhon@gmail.com
한국과학기술연구원 센서시스템 연구센터
Key words
2D material, graphene, transition metal dichalcogenide, black phosphorous, hexagonal nitrogen boron nitride
2차원 소재, 그래핀, 전이금속 디칼코겐화합물, 흑린, 육방정계 질화붕소
1. 서론
결정화합물은 구조의 차원에 따라, 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D) 물질로 구분되며, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원이 달라지면 원자들 사이의 결합특성이 달라지므로 기계적 강도, 전자 이동도 등의 물성이 변하게 된다. 2004년, 영국 맨체스터 대학의 K. S. Novoselov 교수와, A. K. Geim 교수가 스카치테이프를 사용하여 흑연(graphite)으로부터 한 겹의 그래핀(graphene)을 성공적으로 박리한 것이, 이중에서, 2차원물질에 대한 새롭고 폭발적인 관심을 불러 일으키는 계기가 되었다. 2차원 물질인 그래핀은 다이아몬드보다 단단하고, 금보다 전하 이동도(charge mobility)가 높으며(이론적으로 2×105 cm2/V-s), 잘 휘어지며, 입사되는 빛의 대부분을 투과한다. 또한, 이러한 그래핀을 시발점으로 하여서, 전이금속 디칼코겐화합물(transition metal dichalcogenide, TMD) [예: 이황화몰리브덴(MoS2)], 흑린(black phosphorus, BP), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 같은 다양한 2차원 물질이 주목받고 연구되고 있다. 일반적으로, 전자띠 구조에서 밴드갭(또는 띠간격)이, 전기가 잘 통하는 도체(conductor)는 0 eV, 전기가 통하지 않는 부도체(insulator)는 5eV 이상, 도체와 부도체의 중간 성질의 물질인 반도체(semiconductor)는 (0,4] eV라고 구분한다. 이에 따라 2차원 소재를 구분하면 표1과 같다.
표 1. 2차원 소재의 구분
한편, 서로 다른 2차원 소재를 반데르발스 힘으로 연결하여 층층이 쌓아올린 반데르발스 이종접합구조(van der Waals heterostructure) 복합물질은, 2차원 소재의 장점을 극대화를 구현할 수 있으며, 구성 물질의 종류 및 쌓는 순서에 따라 상이한 물성을 가진다. 본 보고서에서는, 2차원 물질 중에서 많이 연구되고 개발 중에 있는, 그래핀, MoS2, 흑린, h_Bn의 물성, 제조방법, 특성, 응용 분야 등에 대하여 알아 볼 것이다.
2. 그래핀
그래핀은 탄소원자들이 육각형 모양으로 방향족 결합하여 2차원 평면을 이루고 있는 탄소소재로서(그림 1a참조), 동소체로는 연필심의 재료인 흑연, 다이아몬드 등이 있다. 이러한 그래핀은 탄소
그림 1. 그래핀의 (a) 결정구조[참고자료13]와 (b) 전자띠 구조[참고문헌2 변형]
※ 디랙 콘(Dirac cone) : 고체 내에서 전자가 가지는 에너지를 운동량의 선형함수로 표현한 것임
원자들이 강한 공유결합으로 연결되어 있어, 물리화학적으로 매우 안정적이며, 강철보다 200배 이상 강한 강도를 가지고 유연성이 뛰어난 장점을 지니고 있다. 또한, 그래핀은 모래시계 모양의 디랙 콘 구조의 전자띠 구조를 가지며(그림 1b참조), 따라서 밴드갭이 없어서 도체의 성질을 가지며, 전자의 유효질량이 0일 수 있어서 대표적인 도체인 구리보다 100배 이상 전기 전도도가 높고, 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 그 밖에 그래핀은 입사되는 빛의 대부분을 투과하여 투명성을 지니고 있다. 그래핀은 이러한 탁월한 물성 때문에, 디스플레이의 핵심 요소인 투명전극, 리튬이온전지 등의 전극 물질, 그리고 초경량, 초강력 소재로서 응용 연구 및 상용화가 이루어지고 있다. 그 밖에, 두께에 비해 표면적이 넓은 특성으로 인해, 센서에 응용되거나, 막에 특정한 크기의 구멍을 내어 해수의 염분 성분만을 걸러내는, 해수의 담수화에 대한 연구도 진행 중이다. 그래핀의 제조는, 기계적 박리법, 액상 박리법(liquid exfoliation), 초고진공 에피턱시 합성법, 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있으며, CVD를 사용하면 대면적 그래핀의 합성이 가능하다.
3. MoS2
전이금속 디칼코겐화합물(TMD)는 두 개의, 칼코겐 원소(X) [즉, 06족 원소]층 사이에 전이금속(M) 단일원소층의 샌드위치처럼 끼어 있는 화합물(그림2 참조)로서, 화학식은 MX2이고, 위에서 보면, 그래핀 구조에서, 전이금속과 칼코겐원소가 번갈아 있는 것처럼 보이게 된다. 이러한 TMD는 물리/
그림 2 [참고문헌 4]. MoS2의 (a) 결정구조[참고문헌 5] 및 (b)단위셀 구조[참고문헌 6]
화학적으로 매우 안정적이며, 그래핀과 다르게 1-3 eV(MoS2는 1.2-1.8 eV)의 밴드갭이 있어서, 반도체 물성을 지닌다. 이러한 2차원 반도체소자는, 기존의 대표적인 반도체인 Si, GaAs와 달리 한 개의 2차원 층만으로도 반도체 특성을 나타내고, 표면에 dangling bond를 갖지 않아서, 고성능 전자소자 제작이 가능하다. 또한 일반적으로 층 수를 늘려서 막 두께를 증가시키면, 밴드갭이 작아지는 특성이 있어서, 상황에 맞는 밴드갭 조절이 가능한 장점이 있다. 이러한 MoS2는 반도체소자로서 트랜지스터 제작에 사용가능하며, MoS2같은 TMD는, 가스분자들이 화합물 표면에 접착시, 전하수송 전기적 특성이 민감하게 변화하기 때문에, 고감도 가스센서 제조에 유리하다. 또한, 트랜스지스터 기반의 단일층 MoS2는 광검출소자로서, 가시광선 영역에서 우수하다는 연구결과가 있다. MoS2는 CVD를 이용해 대면적 소재개발이 가능한데, 최근 CVD를 통해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하였다는 연구결과가 보고되었다.
4. 흑린
흑린(BP)은, 인화합물로서, 그래핀의 육각연결구조가 의자모양으로 구부러진 형태가 반복된 결정구조를 가지는데(그림3 참조), 이러한 결정구조를 주름진 육각벌집구조(puckered honeycomb structure)라고 한다. 이러한 흑린결정구조를 위에서 보면, 한 방향에 평행한 공유결합선이 축소된 형태를 보이는데, 이때 이 결합선 방향을 암체어(armchair) 방향, 위에서 본 2차원면에서 암체어에 수직인 방향을 지그지그(zigzag) 방향이라고 한다. 흑린의 동소체로는, 폭죽과 화약에 사용하는 백린(white phosphorus), 성냥머리로 사용하는 적린(red phosphorus)가 있는데, 백린 또는 적린을 약 200 ℃,
그림 3. 흑린결정구조의 (a)경사면도[참고문헌14], (b)측면도, 및 (c)측면도/상면도 [참고문헌7 변형]
1.2GPa의 고온고압에서 처리하면, 흑린으로 변하며, 이러한 흑린구조는 동소체 중에서 가장 안정적인 결정구조를 가진다. 흑린은 자연상태에서는 흑연처럼 적층구조를 가지는데, 1914년 최초로 안정적인 2차원 흑린의 합성에 성공하였지만, 지난 2014년까지 100년동안 흑린 관련 논문이 100여편에 불과할 정도로 관심을 받지 못하였다. 그렇지만, 2014년, 중국 푸단대학의 Yuanbo Zhang 그룹에서 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법을 흑린에 적용하여, 흑린 2차원 원자층 몇겹을 얇게 떼어내는 데 성공한 후부터, 2차원 반도체물질로 폭발적인 관심을 받게 되었다. 한편, 원자층1겹의 2차원 흑린을 포스포린(phosphorene)이라고도 한다. 흑린은 반도체 물성을 가지는데, 특히 그래핀의 밴드갭 0 eV와 TMD의 밴드갭 1.4-2.0 eV 사이의 적당한 크기의 밴드갭를 가질 수 있다는 사실은 주목할 만하며, 1 원자층 흑린은 약 1.6-2.0 eV의 밴드갭을 가지며, 층수를 증가시킴으로써 밴드갭을 감소시킬 수 있다. 특히 4층 이하의 영역에서 감소효과가 현저한데, 3겹 흑린은 약 0.5-1.2 eV 밴드갭을 가지며, 덩어리 흑린에 가까워지면 약 0.34 eV의 밴드갭이 있게 된다. 이러한 흑린은, 주름진 벌집구조를 가져서 비등방성(anisotropy)이 있게 된다. 이에 따라 지그재그 방향의 전하 유효질량이 암체어 방향보다 10이상 높으며, 전기전도성은 암체어 방향이 더 우수한 반면에, 열전도성은 지그재그 방향이 더 우수한 특성을 가진다. 그 밖에 흑린은 비등방적 플라즈몬(plasmon) 공명주파수를 가져서, 선형편광 방향을 조절하면 공명주파수 조절이 가능할 것으로 예측된다. 최근 흑린을 사용한 p형 및 n형 전계 스위칭소자가 제조되었고, 이를 이용해 흑린만으로 구성되는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)회로를 구현하였다는 연구결과가 있다. 또한, 흑린에 수소나 불소를 도입하면 에너지 전환효율이 무려 20%까지 증가한다고 보고되었으며, 태양전지 소자로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한, 흑린은, 특히 질소분자의 가스센서로서 연구가 진행중이다. 하지만, 흑린의 대면적 합성기술이 아직 정립되지 않았고, 이를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
5. 육방정계 질화붕소
육방정계 질화붕소(h-BN)은 그래핀의 육각 벌집구조에 붕소와 질소가 번갈아 위치하는 형태의 화합물이다. h-BN의 가장 큰 특징은 다른 2차원 물질과 달리, 우수한 부도체 특성(밴드갭: 6 eV)을 지닌다는 점이다. 또한 h-BN은 물리/화학적으로 매우 안정적이며, 그래핀과 유사하게 투명, 유연하며, 기계적 강도가 우수하다. 이러한 h-BN은 전자-포논간 상호작용이 약해, 높은 열전도성을 가진다. 이러한, 우수한 절연성, 높은 기계적 강도, 높은 열전도성 때문에, h-BN은 그래핀의 기판으로서 매우 적합하며, 따라서 기판소재로서 많은 주목을 받으며 사용되고 있다. 그 밖에 고분자 필름 또는 세라믹 화합물과 함께 h-BN 나노시트의 복합재료는 h-BN의 우수한 기계적 물성 때문에, 기계적 특성이 향상될 수 있다. 예를 들면, PMMA 고분자에 0.1 wt%의 h-BN 나노시트를 섞으면, 탄성률이 20%, 강도가 11% 증가되었다는 보고가 있다. h-BN의 제조방법으로는, 화학적 박리, 볼밀링, CVD 등이 있으며, 대면적 합성이 가능하지만, 아직 결정구조 내에 그레인(grain)이 남아있게 되기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
6. 결론
그래핀, TMD, 흑린, h-BN 같은 2차원 물질은, 차원이 변함에 따라 기존 3차원 물질보다 획기적으로 더 우수한 물성이나, 기존물질이 가지지 못하는 특성을 지니게 된다. 이러한 2차원 물질은 2차원 실리콘화합물인 실리센같이 구성원소를 변경하거나 새로운 결정구조를 형성하여서 전혀 새로운 물질의 합성이 가능하다. 또한, 서로 다른 2차원 물질을 반데르발스 힘으로 연결시켜 쌓아올림으로써, 향상된 물성을 가지는 반데르발스 이종접합구조를 형성할 수 있으며, 층을 구성하는 2차원물질의 종류와 쌓아올리는 순서를 변경시킴으로써 수많은 조합의 이종접합구조 생성이 가능하다. 그 밖에, 동일한 2차원물질이라도, 도핑이나 물질의 형태를 리본형태 등으로 변화시킴으로써, 전기전도도나 물성을 변화시킬 수 있다. 따라서 2차원 물질에 대해, 지금까지 알려지지 않은 수많은 물성과 구조가 있을 것이며, 이에 대한 심도있고 다양한 연구가 활발히 이루어지길 기대한다.
References
1. 함선영, 2차원소재. KISTEP 기술동향브리프, 2018.
2. Lee, J. Y. et al. Two-dimensional semiconductor optoelectronics based on van der Waals heterostructures. Nanomaterials, 6(11), 193, 2016.
3. Novoselov, K. S. et al. 2D materials and van der Waals heterostructures. Science, 353(6298), 2016.
4. Ganata, R. & Zhang, Q. Few-Layer MoS2: A Promising Layered Semiconductor. ACS Nano, 8(5), 4074-4099, 2014.
5. Zeng H. et al. Valley polarization in MoS2 monolayers by optical pumping. Nature Nanotechnology, 7, 490-493, 2012.
6. Eda G. et al. Photoluminescence from chemically exfoliated MoS2. Nano Lett., 11(12), 5111–5115, 2011.
7. Du H. et al. Recent developments in black phosphorus transistors. J Mater Chem C, 3(34), 8760-8775, 2015.
8 홍석륜, ‘그래핀을 넘어’2차원 물질에 대한 연구 동향. 물리학과 첨단기술, 7-8월, 한국물리학회, 2016.
9. 황찬용, 그래핀 2.0. 물리학과 첨단기술, 7-8월, 한국물리학회, , 2016.
10. 김근수, 2차원 반도체와 흑린의 연구 동향. 물리학과 첨단기술, 7-8월, 한국물리학회, 2016.
11. 현초희 et al. 육방정계 질화붕소의 최근 연구 동향. 물리학과 첨단기술, 7-8월, 한국물리학회, 2016.
12. 임성일 반데르발스 2차원 반도체소자의 응용과 이슈. Vacuum Magazine, 6월, 한국진공학회, 2018.
13. commons.wikimedia.or (그래핀 그림)
14. phys.org (흑린 그림)
전영인, yijhon@gmail.com
한국과학기술연구원 센서시스템 연구센터
Key words
2D material, graphene, transition metal dichalcogenide, black phosphorous, hexagonal nitrogen boron nitride
2차원 소재, 그래핀, 전이금속 디칼코겐화합물, 흑린, 육방정계 질화붕소
1. 서론
결정화합물은 구조의 차원에 따라, 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D) 물질로 구분되며, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원이 달라지면 원자들 사이의 결합특성이 달라지므로 기계적 강도, 전자 이동도 등의 물성이 변하게 된다. 2004년, 영국 맨체스터 대학의 K. S. Novoselov 교수와, A. K. Geim 교수가 스카치테이프를 사용하여 흑연(graphite)으로부터 한 겹의 그래핀(graphene)을 성공적으로 박리한 것이, 이중에서, 2차원물질에 대한 새롭고 폭발적인 관심을 불러 일으키는 계기가 되었다. 2차원 물질인 그래핀은 다이아몬드보다 단단하고, 금보다 전하 이동도(charge mobility)가 높으며(이론적으로 2×105 cm2/V-s), 잘 휘어지며, 입사되는 빛의 대부분을 투과한다. 또한, 이러한 그래핀을 시발점으로 하여서, 전이금속 디칼코겐화합물(transition metal dichalcogenide, TMD) [예: 이황화몰리브덴(MoS2)], 흑린(black phosphorus, BP), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 같은 다양한 2차원 물질이 주목받고 연구되고 있다. 일반적으로, 전자띠 구조에서 밴드갭(또는 띠간격)이, 전기가 잘 통하는 도체(conductor)는 0 eV, 전기가 통하지 않는 부도체(insulator)는 5eV 이상, 도체와 부도체의 중간 성질의 물질인 반도체(semiconductor)는 (0,4] eV라고 구분한다. 이에 따라 2차원 소재를 구분하면 표1과 같다.
표 1. 2차원 소재의 구분
| 그래핀 | MoS2 | 흑린 | h-BP | |
| 밴드갭 (eV) | 0 | 1.2-1.8 | 0.3-2 | 6 |
| 전기 전도성 | 도체 | 반도체 | 반도체 | 부도체 |
| 전하 이동도 (cm2/V-s) | 2×105 | 10-200 | 100-1000 | - |
한편, 서로 다른 2차원 소재를 반데르발스 힘으로 연결하여 층층이 쌓아올린 반데르발스 이종접합구조(van der Waals heterostructure) 복합물질은, 2차원 소재의 장점을 극대화를 구현할 수 있으며, 구성 물질의 종류 및 쌓는 순서에 따라 상이한 물성을 가진다. 본 보고서에서는, 2차원 물질 중에서 많이 연구되고 개발 중에 있는, 그래핀, MoS2, 흑린, h_Bn의 물성, 제조방법, 특성, 응용 분야 등에 대하여 알아 볼 것이다.
2. 그래핀
그래핀은 탄소원자들이 육각형 모양으로 방향족 결합하여 2차원 평면을 이루고 있는 탄소소재로서(그림 1a참조), 동소체로는 연필심의 재료인 흑연, 다이아몬드 등이 있다. 이러한 그래핀은 탄소
그림 1. 그래핀의 (a) 결정구조[참고자료13]와 (b) 전자띠 구조[참고문헌2 변형]
※ 디랙 콘(Dirac cone) : 고체 내에서 전자가 가지는 에너지를 운동량의 선형함수로 표현한 것임
원자들이 강한 공유결합으로 연결되어 있어, 물리화학적으로 매우 안정적이며, 강철보다 200배 이상 강한 강도를 가지고 유연성이 뛰어난 장점을 지니고 있다. 또한, 그래핀은 모래시계 모양의 디랙 콘 구조의 전자띠 구조를 가지며(그림 1b참조), 따라서 밴드갭이 없어서 도체의 성질을 가지며, 전자의 유효질량이 0일 수 있어서 대표적인 도체인 구리보다 100배 이상 전기 전도도가 높고, 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 그 밖에 그래핀은 입사되는 빛의 대부분을 투과하여 투명성을 지니고 있다. 그래핀은 이러한 탁월한 물성 때문에, 디스플레이의 핵심 요소인 투명전극, 리튬이온전지 등의 전극 물질, 그리고 초경량, 초강력 소재로서 응용 연구 및 상용화가 이루어지고 있다. 그 밖에, 두께에 비해 표면적이 넓은 특성으로 인해, 센서에 응용되거나, 막에 특정한 크기의 구멍을 내어 해수의 염분 성분만을 걸러내는, 해수의 담수화에 대한 연구도 진행 중이다. 그래핀의 제조는, 기계적 박리법, 액상 박리법(liquid exfoliation), 초고진공 에피턱시 합성법, 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있으며, CVD를 사용하면 대면적 그래핀의 합성이 가능하다.
3. MoS2
전이금속 디칼코겐화합물(TMD)는 두 개의, 칼코겐 원소(X) [즉, 06족 원소]층 사이에 전이금속(M) 단일원소층의 샌드위치처럼 끼어 있는 화합물(그림2 참조)로서, 화학식은 MX2이고, 위에서 보면, 그래핀 구조에서, 전이금속과 칼코겐원소가 번갈아 있는 것처럼 보이게 된다. 이러한 TMD는 물리/
그림 2 [참고문헌 4]. MoS2의 (a) 결정구조[참고문헌 5] 및 (b)단위셀 구조[참고문헌 6]
화학적으로 매우 안정적이며, 그래핀과 다르게 1-3 eV(MoS2는 1.2-1.8 eV)의 밴드갭이 있어서, 반도체 물성을 지닌다. 이러한 2차원 반도체소자는, 기존의 대표적인 반도체인 Si, GaAs와 달리 한 개의 2차원 층만으로도 반도체 특성을 나타내고, 표면에 dangling bond를 갖지 않아서, 고성능 전자소자 제작이 가능하다. 또한 일반적으로 층 수를 늘려서 막 두께를 증가시키면, 밴드갭이 작아지는 특성이 있어서, 상황에 맞는 밴드갭 조절이 가능한 장점이 있다. 이러한 MoS2는 반도체소자로서 트랜지스터 제작에 사용가능하며, MoS2같은 TMD는, 가스분자들이 화합물 표면에 접착시, 전하수송 전기적 특성이 민감하게 변화하기 때문에, 고감도 가스센서 제조에 유리하다. 또한, 트랜스지스터 기반의 단일층 MoS2는 광검출소자로서, 가시광선 영역에서 우수하다는 연구결과가 있다. MoS2는 CVD를 이용해 대면적 소재개발이 가능한데, 최근 CVD를 통해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하였다는 연구결과가 보고되었다.
4. 흑린
흑린(BP)은, 인화합물로서, 그래핀의 육각연결구조가 의자모양으로 구부러진 형태가 반복된 결정구조를 가지는데(그림3 참조), 이러한 결정구조를 주름진 육각벌집구조(puckered honeycomb structure)라고 한다. 이러한 흑린결정구조를 위에서 보면, 한 방향에 평행한 공유결합선이 축소된 형태를 보이는데, 이때 이 결합선 방향을 암체어(armchair) 방향, 위에서 본 2차원면에서 암체어에 수직인 방향을 지그지그(zigzag) 방향이라고 한다. 흑린의 동소체로는, 폭죽과 화약에 사용하는 백린(white phosphorus), 성냥머리로 사용하는 적린(red phosphorus)가 있는데, 백린 또는 적린을 약 200 ℃,
그림 3. 흑린결정구조의 (a)경사면도[참고문헌14], (b)측면도, 및 (c)측면도/상면도 [참고문헌7 변형]
1.2GPa의 고온고압에서 처리하면, 흑린으로 변하며, 이러한 흑린구조는 동소체 중에서 가장 안정적인 결정구조를 가진다. 흑린은 자연상태에서는 흑연처럼 적층구조를 가지는데, 1914년 최초로 안정적인 2차원 흑린의 합성에 성공하였지만, 지난 2014년까지 100년동안 흑린 관련 논문이 100여편에 불과할 정도로 관심을 받지 못하였다. 그렇지만, 2014년, 중국 푸단대학의 Yuanbo Zhang 그룹에서 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법을 흑린에 적용하여, 흑린 2차원 원자층 몇겹을 얇게 떼어내는 데 성공한 후부터, 2차원 반도체물질로 폭발적인 관심을 받게 되었다. 한편, 원자층1겹의 2차원 흑린을 포스포린(phosphorene)이라고도 한다. 흑린은 반도체 물성을 가지는데, 특히 그래핀의 밴드갭 0 eV와 TMD의 밴드갭 1.4-2.0 eV 사이의 적당한 크기의 밴드갭를 가질 수 있다는 사실은 주목할 만하며, 1 원자층 흑린은 약 1.6-2.0 eV의 밴드갭을 가지며, 층수를 증가시킴으로써 밴드갭을 감소시킬 수 있다. 특히 4층 이하의 영역에서 감소효과가 현저한데, 3겹 흑린은 약 0.5-1.2 eV 밴드갭을 가지며, 덩어리 흑린에 가까워지면 약 0.34 eV의 밴드갭이 있게 된다. 이러한 흑린은, 주름진 벌집구조를 가져서 비등방성(anisotropy)이 있게 된다. 이에 따라 지그재그 방향의 전하 유효질량이 암체어 방향보다 10이상 높으며, 전기전도성은 암체어 방향이 더 우수한 반면에, 열전도성은 지그재그 방향이 더 우수한 특성을 가진다. 그 밖에 흑린은 비등방적 플라즈몬(plasmon) 공명주파수를 가져서, 선형편광 방향을 조절하면 공명주파수 조절이 가능할 것으로 예측된다. 최근 흑린을 사용한 p형 및 n형 전계 스위칭소자가 제조되었고, 이를 이용해 흑린만으로 구성되는 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)회로를 구현하였다는 연구결과가 있다. 또한, 흑린에 수소나 불소를 도입하면 에너지 전환효율이 무려 20%까지 증가한다고 보고되었으며, 태양전지 소자로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한, 흑린은, 특히 질소분자의 가스센서로서 연구가 진행중이다. 하지만, 흑린의 대면적 합성기술이 아직 정립되지 않았고, 이를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
5. 육방정계 질화붕소
육방정계 질화붕소(h-BN)은 그래핀의 육각 벌집구조에 붕소와 질소가 번갈아 위치하는 형태의 화합물이다. h-BN의 가장 큰 특징은 다른 2차원 물질과 달리, 우수한 부도체 특성(밴드갭: 6 eV)을 지닌다는 점이다. 또한 h-BN은 물리/화학적으로 매우 안정적이며, 그래핀과 유사하게 투명, 유연하며, 기계적 강도가 우수하다. 이러한 h-BN은 전자-포논간 상호작용이 약해, 높은 열전도성을 가진다. 이러한, 우수한 절연성, 높은 기계적 강도, 높은 열전도성 때문에, h-BN은 그래핀의 기판으로서 매우 적합하며, 따라서 기판소재로서 많은 주목을 받으며 사용되고 있다. 그 밖에 고분자 필름 또는 세라믹 화합물과 함께 h-BN 나노시트의 복합재료는 h-BN의 우수한 기계적 물성 때문에, 기계적 특성이 향상될 수 있다. 예를 들면, PMMA 고분자에 0.1 wt%의 h-BN 나노시트를 섞으면, 탄성률이 20%, 강도가 11% 증가되었다는 보고가 있다. h-BN의 제조방법으로는, 화학적 박리, 볼밀링, CVD 등이 있으며, 대면적 합성이 가능하지만, 아직 결정구조 내에 그레인(grain)이 남아있게 되기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
6. 결론
그래핀, TMD, 흑린, h-BN 같은 2차원 물질은, 차원이 변함에 따라 기존 3차원 물질보다 획기적으로 더 우수한 물성이나, 기존물질이 가지지 못하는 특성을 지니게 된다. 이러한 2차원 물질은 2차원 실리콘화합물인 실리센같이 구성원소를 변경하거나 새로운 결정구조를 형성하여서 전혀 새로운 물질의 합성이 가능하다. 또한, 서로 다른 2차원 물질을 반데르발스 힘으로 연결시켜 쌓아올림으로써, 향상된 물성을 가지는 반데르발스 이종접합구조를 형성할 수 있으며, 층을 구성하는 2차원물질의 종류와 쌓아올리는 순서를 변경시킴으로써 수많은 조합의 이종접합구조 생성이 가능하다. 그 밖에, 동일한 2차원물질이라도, 도핑이나 물질의 형태를 리본형태 등으로 변화시킴으로써, 전기전도도나 물성을 변화시킬 수 있다. 따라서 2차원 물질에 대해, 지금까지 알려지지 않은 수많은 물성과 구조가 있을 것이며, 이에 대한 심도있고 다양한 연구가 활발히 이루어지길 기대한다.
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13. commons.wikimedia.or (그래핀 그림)
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