차세대 소자 쓰일 ‘2차원 단결정’ 질화붕소 대량 합성방법 첫 개발

2018.11.16 04:00
김수민 KIST 연구원(왼쪽)이 새로 개발한 단결정 구조 물질을 실험하고 있다. 한국과학기술연구원 제공
김수민 KIST 연구원(왼쪽)이 새로 개발한 단결정 구조 물질을 실험하고 있다. 한국과학기술연구원 제공

고체물질이 굳어지면 분자구조에 따라 ‘단결정’과 ‘다결정’으로 구분할 수 있다. 단결정 물질은 절연성, 전기전도성이 다결정 물질보다 더 뛰어나다. 그러나 단결정 물질은 자연상태에서는 찾아보기 어렵고 인공적으로 만들기도 까다롭다.

 

한국과학기술연구원(KIST) 김수민 선임연구원과 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 연구단장 연구진, 동국대 김기강 교수 연구진은 질화붕소를 단결정 형태로 합성하는 방법을 알아냈다고 국제학술지 사이언스 16일 자에 소개했다.

 

질화붕소는 극도로 얇은 2차원 물질로, 질소와 붕소를 육각형 원자구조로 합성한 신소재다. 탄소원자가 육각형 평면 구조를 이룬 ‘그래핀’과 함께 미래 소재로 각광받고 있다. 질화붕소는 여러가지 2차원 물질 중 유일하게 절연 특성이 있다. 투명 전자소자의 절연층으로 쓰기 적합하다.

 

기존에는 분자구조가 엉성한 ‘다결정’ 형태의 대면적 질화붕소를 얻었다. 하지만 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하고 절연 특성이 떨어지는 문제가 나타났다.  

 

연구진은 액체 금(金) 표면 위에서 질화붕소를 형성했다. 그러자 질화붕소 입자가 일정한 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤’ 현상이 일어나 단결정 형태로 성장했다. 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정 형태를 합성할 수 있어 대량생산에도 유리하다.

 

연구진은 단결정 질화붕소 박막의 활용성도 검증했다. 질화붕소 박막을 기판으로 삼고 그 위에 그래핀, 이황화몰리브덴(MoS2), 이황화텅스텐(WS2)을 쌓아오리는 방식으로 합성했다. 이 형태로 전자회로를 구성하면 전기 효율이나 연산속도가 월등히 빠른 처리속도를 갖는 신개념 전자회로 개발할 수 있다. 투명하고 유연한 전자소자, 고성능 가스센서 개발도 가능해질 것으로 기대된다.

 

김 연구원은 “단결정 2차원 물질을 합성하는 새로운 방법을 제안한 것은 물론, 그래핀이나 질화붕소 등 두 가지 이상의 원소를 적층구조로 합성할 수 있는 새로운 장을 열었다는데 큰 의의가 있다”고 설명했다.

 

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