| 초록 |
1. 개요 2004년 Geim 교수와 Novoselov 교수는 이론적으로만 제작 가능성이 보고되었던 그래핀(Graph-ene)을 처음으로 분리했다 1 . 그래핀은 흑연을 뜻하는 Graphite와 탄소 이중결합을 의미하는 접미어 lsquo; ndash;ene rsquo;를 결합하여 만든 용어이다. 그래핀은 한 층의 원자로 이루어진 결정성 물질이며, 아주 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 보인다. 그래핀의 분리 이후, 다양한 2차원 재료가 발견되었고, 벌크(Bulk) 재료와는 다른 특징을 보이기 때문에 태양광발전, 반도체, 전극 등에 활용이 되고 있다. 더 나아가 2차원 재료가 층을 이루어 결합한 구조는 반데르발스 헤테로 구조(Van der Waals Heterostructure) 2 라고 부르며, 기존의 2차원 재료와 다른 특징을 보일 수 있다고 기대하고 있다. 그림 1. 연간 발행되는 논문의 수 2차원 재료의 특별한 성질과 확장성 때문에 다양한 매년 발행되는 논문의 수는 크게 증가하고 있는 추세이다. 이번 KOSEN Report에서는 그래핀을 포함한 2차원 소재에 대한 소개 및 합성 방법, 응용 분야 등에 대해 소개를 하고자 한다. 2. 그래핀의 합성과 응용 2.1. 그래핀의 특징 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양으로 존재하는 원자 단일 층 재료이다. 그래핀은 다른 탄소 재료들과 다르게 매우 뛰어난 전자이동도(~200,000 cm 2 /V?s) 3 , 높은 열전도도(~4,000 W/m?K) 4 , 높은 영계수(~1 TPa) 5 등 특별한 물리적, 기계적 성질을 지니고 있다. 이런 특성 때문에 그래핀은 차세대 신소재로 각광받으며, 꿈의 신소재라고 불린다. 그래핀의 성질 중 전기적 성질은 다른 재료에서 볼 수 없는 특이한 거동을 보인다. 그래핀은 반도체가 지니는 특징인 밴드 구조(Band structure)를 지녀 반금속(Semi-metal)으로 분류가 되고 있다. 2.2. 그래핀의 합성 그래핀의 합성법은 크게 세 가지, 1) 물리적 박리법(Mechanical exfoliation) 1 , 2) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 7 , 3) 화학적 박리법(Chemical exfoliation) 8 등으로 분류할 수 있다. 이 방법들은 퀄리티가 서로 다른 그래핀을 서로 다른 양(Quantity)으로 박리 혹은 합성할 수 있으며, 사용 목적에 따라 합성법을 결정할 수 있다. 2.2.1. 물리적 박리법(Mechanical exfoliation) 물리적 박리법은 기계적인 힘을 이용하여 흑연(Graphite, 여러 층의 그래핀이 쌓인 형태)을 한 장씩 분리하는 방법으로, 앞서 언급했던 Geim 교수와 Novoselov 교수가 개발한 스카치테이프 방법(Scotch tape method)이 대표적인 물리적 박리법이다. 이 방법은 아주 작은 크기의 그래핀을 소량 만들 수 있는 방법이기 때문에 산업적으로는 응용을 할 수 없지만 흠(defect)이 적은 그래핀을 분리해냄으로써 물리, 화학, 전기적인 특성 등을 확인하는 실험에 적용하기 적합하다. 2.2.2. 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition) 화학기상증착법은 구리나 니켈 등의 금속판을 이용해 그래핀을 합성하는 방법이다. 비교적 뛰어난 결정을 가지는 그래핀을 대면적에서 얻을 수 있는 방법으로, 탄소 전구체를 기판에 흡착-반응시켜 탄소 원자들이 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다. 주소 사용하는 금속 촉매는 구리와 니켈 등 전이금속 촉매이며, 금, 백금 등의 촉매 위에서도 합성이 된다. 다른 합성법에 비해 가장 넓은 면적의 그래핀을 합성할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야에 적용시키기 위한 합성법으로 각광받고 있다. 2.2.3. 화학적 박리법(Chemical exfoliation) 화학적 박리법은 흑연의 산화 및 환원을 이용한 방법이다. 흑연을 강산과 산화제 등으로 산화시켜 그래파이트 옥사이드(Graphite oxide)로 제작한 후, 초음파 등을 이용하여 박리를 진행하면 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO)를 제작할 수 있다. 그래핀 옥사이드를 화학적 환원(Chemical reduction)이나 열 환원(Thermal reduction) 등의 방법을 통해 환원 그래핀(Reduced graphene oxide, rGO)을 제작할 수 있다. rGO는 다른 방법으로 제작된 그래핀에 비해 질이 매우 떨어진다는 단점이 있지만 그래핀 표면에 관능기(Functional group)가 많고, 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서 사용되고 있다. 2.3. 그래핀의 응용 분야 그래핀을 이용한 나노 소재는 성능이 다양하고 파급효과가 있으며 이를 이용한 부품, 완제품 등 다양한 산업으로의 응용이 가능할 것으로 예상된다. 특히 그래핀은 강도, 열전도율, 전자이동도 등의 특성이 가장 뛰어난 물질이기 때문에 디스플레이, 배터리, 태양전지, 복합체 등 다양한 산업으로의 응용이 가능한 소재이다. 그래핀은 원자층 두께에 불과하여 가시광선에서의 빛 투과도가 97 #37;에 이르며, 동시에 전기전도도가 매우 뛰어나기 때문에 면저항 특성에 따라 OLED, 광학필터, 터치스크린 등에 사용되는 투명전극에 적용을 할 수 있을 것이라고 기대되고 있다. 그래핀의 응용 분야는 투명 터치패널 외에도 유연성을 이용한 플렉서블(Flexible) 디스플레이, 방열 필름, 바닷물 담수화 필터, 이차전지용 전극, 열전(Thermoelectric)의 재료 등 산업의 전반적 분야에 걸쳐 있다. 9 그림 2. 다양한 2차원 소재들. 왼쪽 위부터 시계방향으로 그래핀, 이황화몰리브덴, 흑린, 육방정계 붕화질소의 개략도 3. 2차원 물질의 종류와 합성 및 응용 3.1. 2차원 물질 연구 동향 그래핀 이후 다양한 2차원 소재가 등장하고 있다. 2차원 소재란 하나의 원자층으로 이루어진 결정형 물질의 단일 층을 의미한다. 2차원 소재는 전기적 성질에 따라 도체(그래핀 등), 반도체(전이금속 디칼코게나이드) 그리고 부도체(육방정계 질화붕소)로 나눌 수 있다. 2차원 소재는 태양전지와 반도체 분야, 전극, 정수 분야 등에 적용되고 있다. 700여 종의 2차원 물질이 안정적으로 존재할 수 있을 것이라고 알려져 있지만, 주로 합성되고 사용되는 2차원 물질은 몇 가지로 한정되어 있다. 해당 챕터에서는 그래핀을 제외하고 상대적으로 많이 연구되고 있는 2차원 물질 중 반도체 특성을 띠는 이황화몰리브덴(MoS 2 )와 흑린(Black phosphorus) 그리고 부도체 성질을 보이는 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride)에 대한 연구 동향에 대해 살펴보고자 한다. 3.2. 전이금속 칼코게나이드 (Transition metal dicalcogenides, TMDCs) 전이금속 칼코게나이드(Transition metal dicalcogenides, TMDCs)는 그래핀 이후 각광받는 2차원 재료로, 자연에서 발견되는 암석에서 얻을 수 있는 물질이다. 칼코게나이드계의 반도체 물질은 그래파이트와 같은 방식으로 박리되어 단원자층으로 분리가 될 수 있다는 것이 보고되었으며, 전이금속 칼코게나이드 또한 두께가 단원자 수준인 박막으로 가공될 수 있는데, 전이금속 칼코게나이드 단일 층(Single layered MoS 2 )은 벌크 형태와 사뭇 다른 전기적 특징을 보인다. 예를 들어 이황화몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS 2 ) 단일 층은 밴드갭이 없는 그래핀과 달리 다이렉트 밴드갭이 있다. 이는 전기장과 같은 외부 조건이 주어지지 않는다면 부도체 특성을 지니지만, 일정한 전기장이나 다른 외부효과가 가해지면 전도체로 변하는 특성을 보인다는 뜻이다. 전이금속 칼코게나이드는 그래핀처럼 다양한 방법으로 제작을 할 수 있다. 1) 벌크 상태에서 박리를 진행하거나, 2) 화학기상증착법 혹은 3) 에피택셜 합성법(Epitaxial growth)을 통해서 합성이 가능하다. 그래핀과 마찬가지로 벌크 상태에서 박리를 진행하여 제작하는 전이금속 칼코게나이드는 두께가 일정하지 못하고, 대면적의 필름을 얻을 수 없다는 단점이 있지만, 결정성이 높은 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 반면 화학기상증착법이나 에피택셜 합성법의 경우 대면적의 전이금속 칼코 |
