'2차원 물질' 이종합성법 개발…“전자센서·필터 기술 수준 높일 것”

김수민 KIST 박사·이영희 IBS 단장·김기강 교수팀 주도

액체 상태의 금기판 위에서 원자 구조가 단순해지고 있는 질화붕소(hBN) 모습/사진=KIST

김수민 한국과학기술연구원(KIST) 박사, 이영희 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단장, 김기강 동국대 교수로 이뤄진 공동연구팀이 전기·열이 통하지 않는 특성을 지닌 2차원 물질인 '질화붕소'(hBN)의 합성기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

질화붕소는 전기가 통하지 않는 '절연성'을 가진다. 투명하면서도 유연한 차세대 전기소자의 절연체로 활용될 수 있다는 점에서 학계와 산업게 주목을 끌고 있다.

질화붕소의 절연성을 유지하려면 원자 배열이 규칙적인 단결정 형태로 합성해야 한다. 하지만 기존 기술로는 불가능했다.

연구팀이 이번에 개발한 핵심 기술은 다결정 구조인 '질화붕소'를 단결정으로 만든 것이다.

단결정은 원자 사이에 빈틈이 없고 불순물도 섞여 있지 않다. 반도체와 다이아몬드 같은 보석이 대표적이다. 대체로 전기저항이 낮다는 특징이 있다.

연구진은 기술적인 한계를 극복하고자 액체 상태의 금 표면에서 질화붕소 박막을 합성하는 방법을 고안해냈다. 금 표면에서는 질소와 붕소 원자들이 동일한 방향으로 형성되는 '자가 줄맞춤' 현상을 합성에 활용한 것이다.

연구진은 합성한 질화붕소 박막을 기판으로 삼아 그래핀과 이황화몰리브덴, 이황화텅스텐 등 평면 소재들을 단결정으로 합성하는데 성공했다. 이어 그래핀과 질화붕소가 층을 이룬 신소재도 새롭게 만들었다.


김수민 박사는 "두 가지 원소로 구성된 단결정 2차원 물질을 합성하는 새 방법을 제안해 앞으로 다양한 2차원 이종 적층 구조 소재를 개발할 수 있게 됐다"며 연구의 의의를 설명했다. 또 "이 연구를 통해 차세대 전자센서와 필터 등을 개발하는 기술 수준이 높아질 것"이라고 덧붙였다. 이번 연구성과는 국제학술지 '사이언스' 16일자에 게재됐다.