한국과학기술연구원 김수민 박사, 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이영희 연구단장(성균관대학교), 동국대학교 김기강 교수가 공동연구를 통해 두 가지 원소(질소와 붕소)로 구성된 2차원 물질인 질화붕소¹⁾를 단결정으로 합성하는 기술을 개발했다고 과학기술정보통신부(장관 유영민)는 밝혔다.

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 단결정²⁾ 형태로 합성해야 하는 난제가 남아있다. 기존 합성법으로 개발된 대면적 질화붕소는 다결정³⁾ 형태로 합성되어, 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하고 절연 특성이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 액상 금 표면 위에서, 질화붕소의 결정립이 동일한 방향으로 형성되는 ‘자가 줄맞춤⁴⁾’ 현상을 이용해 단결정 질화붕소 박막을 합성했다. 이 방법은 박막의 크기에 구애받지 않고 원하는 크기의 단결정 형태를 합성할 수 있다.

• 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 그래핀⁵⁾과 질화붕소가 층을 이루는 이종 적층구조를 직접 합성하는 데 성공했다.

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.

그림설명

▲ [그림 1] 액상의 금 기판 위에 합성된 2차원 질화붕소(hBN) 결정립과 자기 줄맞춤(self-collimation) 현상에 의한 대면적 단결정 합성 모식도 및 실험 결과이다.

▲ [그림 2] 대면적 단결정 질화붕소(hBN)을 기판으로 활용하여 그래핀, WS₂와 같은 기타 2차원 소재들의 에피택셜 합성 결과, 동일한 방향으로 정렬되어 합성되는 것이 관찰되었다.

▲ [그림 3] 대면적 단결정 hBN의 산화방지막, 수분투과방지막 응용 실험 결과, 약 0.3 nm 두께의 박막임에도 불구하고 금속의 산화, 공기 중 수분 투과를 개선하는데 매우 효과적이다.