韓 연구진, 세계 최초 '질화붕소 단결정 합성 기술' 개발

[이뉴스투데이 송혜리 기자] 국내 과학자들이 세계 최초로 이종 원소(질소와 붕소)로 구성된 2차원 물질인 질화붕소를 단결정으로 합성하는 기술을 개발했다.

과학기술정보통신부는 16일 김수민 한국과학기술연구원 박사, 이영희 기초과학연구원 나노구조물리연구단장(성균관대학교), 김기강 동국대학교 교수가 공동연구를 통해 2차원 물질 이종 합성의 난제를 풀었다고 밝혔다.

국제학술지 사이언스에 게재된 이번 연구는 세계 최초로 이종 원소로 구성된 2차원 소재를 대면적 단결정으로 합성할 수 있는 원천기술을 개발한 것일 뿐만 아니라 다양한 2차원 소재의 이종 적층구조를 대면적 단결정으로 성장할 수 있는 새로운 연구 패러다임을 제시한 것으로 평가받았다. 이를 바탕으로, 차세대 투명 유연 전자소자 및 가스 배리어, 센서, 필터 등의 개발에 큰 혁신을 줄 것으로 기대된다.

2차원 물질들은 전기적인 특성, 유연성, 투명성이 우수해 차세대 전자 소자의 핵심 소재로 꼽힌다. 또 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 단결정(결정 전체가 규칙적으로 일정한 결정축을 따라 모여 있는 상태)형태로 합성해야 하는 난제가 남아있다. 기존 합성법으로 개발된 대면적 질화붕소는 다결정(여러 결정이 불규칙적으로 모여있는 상태. 결정 간 결합이 불완전함)형태로 합성돼, 질소와 붕소의 원자결합이 불완전하고 절연 특성이 떨어지는 문제가 있다.

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

이에 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.

김수민 한국과학기술연구원 박사는 “이 연구는 그래핀을 포함해 두 가지 원소로 구성된 단결정 2차원 물질을 합성하는 새로운 방법을 제안함으로써  다양한 2차원 이종 적층구조 개발의 새로운 장을 열었다는 의이가 있다”고 밝혔다.