| 초록 |
1. 서론 결정화합물은 구조의 차원에 따라 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D) 물질로 구분되며, 같은 원소로 이루어진 물질이라도 차원이 달라지면 원자들 사이의 결합 특성이 달라지므로 기계적 강도, 전자이동도 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, 이 중에서, 2차원 물질에 대한 새롭고 폭발적인 관심을 불러일으키는 계기가 되었다. 2차원 물질인 그래핀은 다이아몬드보다 단단하고, 금보다 전하이동도(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 전자띠구조에서 밴드갭(또는 띠간격)이, 전기가 잘 통하는 도체(conductor)는 0eV, 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 표 1과 같다. 한편, 서로 다른 2차원 소재를 반데르발스힘으로 연결하여 층층이 쌓아 올린 반데르발스 이종접합구조(van der Waals heterostructure) 복합물질은, 2차원 소재의 장점을 극대화를 구현할 수 있으며, 구성 물질의 종류 및 쌓는 순서에 따라 상이한 물성을 지닌다. 본 보고서에서는, 2차원 물질 중에서 많이 연구되고 개발 중에 있는 그래핀, MoS2, 흑린, h_Bn의 물성, 제조 방법, 특성, 응용 분야 등에 대하여 알아볼 것이다. 2. 그래핀 그래핀은 탄소 원자들이 육각형 모양으로 방향족 결합하여 2차원 평면을 이루고 있는 탄소 소재로서(그림 2a 참조), 동소체로는 연필심의 재료인 흑연, 다이아몬드 등이 있다. 이러한 그래핀은 탄소 원자들이 강한 공유결합으로 연결되어 있어 물리화학적으로 매우 안정적이며, 강도가 강철보다 200배 이상 강하고 유연성이 뛰어난 장점을 지니고 있다. 또한 그래핀은 모래시계 모양의 디랙 콘 구조의 전자띠구조를 띠며(그림 2b 참조), 따라서 밴드갭이 없어서 도체의 성질을 지니고, 전자의 유효질량이 0일 수 있어서 대표적인 도체인 구리보다 100배 이상 전기전도도가 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 에피택시 합성법, 화학기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 등이 있으며, CVD를 사용하면 대면적 그래핀의 합성이 가능하다. 3. MoS2 전이금속 디칼코겐화합물(TMD)은 2개의, 칼코겐 원소(X)[즉, 06족 원소]층 사이에 전이금속(M) 단일원소층의 샌드위치처럼 끼어 있는 화합물(그림 3 참조)로서, 화학식은 MX2이고, 위에서 보면 그래핀 구조에서 전이금속과 칼코겐 원소가 번갈아 있는 것처럼 보이게 된다. 이러한 TMD는 물리/화학적으로 매우 안정적이며, 그래핀과 다르게 1~3eV(MoS2는 1.2~1.8eV)의 밴드갭이 있어서, 반도체 물성을 지닌다. 이러한 2차원 반도체소자는, 기존의 대표적인 반도체인 Si, GaAs와 달리 1개의 2차원층만으로도 반도체 특성을 나타내고, 표면에 dangling bond를 갖지 않아서, 고성능 전자소자 제작이 가능하다. 또한 일반적으로 층수를 늘려서 막 두께를 증가시키면 밴드갭이 작아지는 특성이 있어서, 상황에 맞는 밴드갭 조절이 가능한 장점이 있다. 이러한 MoS2는 반도체소자로서 트랜지스터 제작에 사용 가능하며, MoS2 같은 TMD는, 가스 분자들이 화합물 표면에 접착 시 전하 수송의 전기적 특성이 민감하게 변화하기 때문에 고감도 가스센서 제조에 유리하다. 또한 트랜지스터 기반의 단일층 MoS2는 광검출소자로서, 가시광선 영역에서 우수하다는 연구 결과가 있다. MoS2는 CVD를 이용해 대면적 소재 개발이 가능한데, 최근 CVD를 통해 4인치 크기의 균일한 소재를 합성하였다는 연구 결과가 보고되었다. 4. 흑린 흑린(BP)은 인화합물로서, 그래핀의 육각 연결구조가 의자 모양으로 구부러진 형태가 반복된 결정구조를 띠는데(그림 4 참조), 이러한 결정구조를 주름진 육각벌집구조(puckered honeycomb structure)라고 한다. 이러한 흑린 결정구조를 위에서 보면, 한 방향에 평행한 공유결합선이 축소된 형태를 보이는데, 이때 이 결합선 방향을 암체어(armchair) 방향, 위에서 본 2차원 면에서 암체어에 수직인 방향을 지그재그(zigzag) 방향이라고 한다. 흑린의 동소체로는, 폭죽과 화약에 사용하는 백린(white phosphorus), 성냥머리로 사용하는 적린(red phosphorus)이 있는데, 백린 또는 적린을 약 200℃, 1.2GPa의 고온 고압에서 처리하면, 흑린으로 변하며, 이러한 흑린 구조는 동소체 중에서 가장 안정적인 결정구조를 띤다. 흑린은 자연 상태에서는 흑연처럼 적층 구조를 띠는데, 1914년 최초로 안정적인 2차원 흑린의 합성에 성공하였지만, 지난 2014년까지 100년 동안 흑린 관련 논문이 100여 편에 불과할 정도로 관심을 받지 못하였다. 그렇지만 2014년, 중국 푸단 대학의 Yuanbo Zhang 그룹에서 흑연에서 그래핀을 떼어내는 방법을 흑린에 적용하여 흑린 2차원 원자층 몇 겹을 얇게 떼어내는 데 성공한 후부터, 2차원 반도체물질로 폭발적인 관심을 받게 되었다. 한편, 원자층 1겹의 2차원 흑린을 포스포린(phosphorene)이라고도 한다. 흑린은 반도체 물성을 지니는데, 특히 그래핀의 밴드갭 0eV와 TMD의 밴드갭 1.4~2.0eV 사이의 적당한 크기의 밴드갭을 가질 수 있다는 사실은 주목할 만하며, 1 원자층 흑린은 약 1.6~2.0eV의 밴드갭을 가지며, 층수를 증가시킴으로써 밴드갭을 감소시킬 수 있다. 특히 4층 이하의 영역에서 감소 효과가 현저한데, 3겹 흑린은 약 0.5~1.2eV 밴드갭을 가지며 덩어리 흑린에 가까워지면 약 0.34eV의 밴드갭이 있게 된다. 이러한 흑린은, 주름진 벌집 구조를 띠어 비등방성(anisotropy)이 있게 된다. 이에 따라 지그재그 방향의 전하 유효질량이 암체어 방향보다 10 이상 높으며, 전기전도성은 암체어 방향이 더 우수한 반면에, 열전도성은 지그재그 방향이 더 우수한 특성을 띤다. 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 연구 결과가 있다. 또한 흑린에 수소나 불소를 도입하면 에너지전환효율이 무려 20%까지 증가한다고 보고되었으며, 태양전지소자로서의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한 흑린은, 특히 질소 분자의 가스센서로서 연구가 진행 중이다. 하지만 흑린의 대면적 합성 기술이 아직 정립되지 않았고, 이를 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 5. 육방정계 질화붕소 육방정계 질화붕소(h-BN)는 그래핀의 육각벌집구조에 붕소와 질소가 번갈아 위치하는 형태의 화합물이다. h-BN의 가장 큰 특징은 다른 2차원 물질과 달리, 우수 |
