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‘백색 흑연’으로 불리는 질화붕소((hBN)에서 삼각형으로 구멍이 생기는 과정이 포착됐다. 두 원소가 결합된 이차원 재료에서 결함이 만들어지는 과정을 처음부터 끝까지 파악한 최초의 연구다. 이차원 재료는 흑연이나 그래핀처럼 얇은 막 구조로 이뤄진 물질을 말한다. |
이종훈 UNIST(총장 조무제) 신소재공학부 교수팀은 홍석륜 세종대 교수팀과 공동으로 질화붕소에 전자빔을 쏘아 삼각형으로 결함이 생기는 장면을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다. 질화붕소는 질소(Nitride)와 붕소(Boron)가 결합된 물질로 흑연과 구조가 비슷해 ‘백색 흑연’으로도 불린다. 그래핀과 정반대로 전기 절연성이 뛰어나 부도체 소재로 활용 가능성이 높은 차세대 소자다. 이번 연구는 원자 한 층에서 결함이 생기는 과정까지 규명해 주목받았다. 연구진은 원자분해능 투과전자현미경(TEM) 안에서 원자들을 추적해 결함 형성 장면을 얻었다. 이 내용이 담긴 논문은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저널인 ‘나노스케일(Nanoscale)’ 6월 28일자 표지 논문으로 선정됐다. 연구진은 또 투과전자현미경으로 관찰한 내용을 계산물리학으로도 확증했다. 이를 통해 물리학과 재료과학의 융합수준을 진일보시켰다는 평가를 받았다. 이 덕분에 ‘2015년 핫 페이퍼(hot paper)’로도 선정됐다. 질화붕소는 고분해능 투과전자현미경 안에서도 원자 수준으로 관찰하기 어려운 소재였다. 이에 연구진은 질화붕소의 변화 과정을 연속 촬영해 원자 수준의 관찰을 시도했다. 이 과정에 UNIST에 설치한 저전압 수차보정 투과전자현미경이 활용됐다. 또 관찰 결과를 계산과학으로도 해석해 원자 하나의 움직임까지 추적할 수 있었다. 이차원 재료에서 원자가 손상되면서 구조에 구멍이 생기는 전체 과정을 밝혀낸 것이다. 이번 연구를 진행한 류경희 UNIST 신소재공학부 석박사통합과정 연구원은 “이차원 재료에서 결함이 생기면 원자가 떨어져 나갈 뿐 아니라 재결합되는 현상이 발생한다는 걸 알아냈다”며 “원자 하나가 아닌 여러 개의 원자가 함께 떨어져 나가며, 붕소와 질소 원자들이 단원자 사슬을 만들면서 떨어진다는 것을 처음 확인했다”고 설명했다. 이종훈 교수는 “이번 연구는 이차원 재료에서 원자 수준에 결함이 생기는 과정을 밝히고 새로운 물리 현상을 규명했다는 데 의미가 있다”며 “이번 연구는 앞으로 이차원 신소재 개발에 기반이 될 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 미래창조과학부에서 지원하는 나노·소재기술개발사업(총괄책임자: 세종대 그래핀연구소장 홍석륜 교수)의 제1세부(책임자: KAIST 최성률 교수, 제1저자(공동): UNIST 류경희, 박효주 연구원)과제의 일환으로 수행됐다. (끝) (논문명: Atomic-scale Dynamics of Triangular Hole Growth in Monolayer Hexagonal Boron Nitride under Electron Irradiation) |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경최근 그래핀을 비롯한 다양한 종류의 이차원 재료들이 산업에 이용될 차세대 물질로 각광 받고 있다. 그래핀은 가장 대표적인 이차원 재료인 만큼 다방면에서 연구가 진행되고 있다. 이중 그래핀 고유결함에 대해서는 원자 수준부터 거시적 영역까지 폭넓게 연구되고 있다. 이 결함이 그래핀의 전기적․기계적 물성에 크게 영향을 주기 때문이다. 근래에 들어서는 첨단 투과전자현미경으로 원자 하나까지 관찰할 수 있게 되면서 결함이 생기고 커지는 과정을 직접 관찰할 수 있게 됐다. 이 덕분에 그래핀 결함에 대해서는 많은 부분이 밝혀지고 있다. 탄소 원소로만 이뤄진 그래핀과 달리 이종원소로 이뤄진 이차원 재료들의 결합은 더 복잡하다. 이 때문에 현재까지 이론적으로 정립되지 않은 부분이 상당히 많다. 이에 미개척 분야인 이종원소 이차원 재료의 결함 형성에 대해서 중요성이 강조되고 있다. 특히 구조적으로 그래핀과 매우 유사해 ‘백색 흑연’이라고도 불리는 질화붕소(hBN: hexagonal Boron Nitride)는 특이한 결함을 나타내 학계에서 관심 있는 분야였다. 붕소(B)와 질소(N)로 구성된 질화붕소는 결함 가장자리의 원자 구성 및 배열에 따라 전기적 특성이 달라진다고 알려져 있다. 그런데 전자빔에 의해 생성된 질화붕소 결함은 가장자리가 질소 원자로 이루어진 삼각형으로 형성된다. 하지만 최근까지도 질화붕소에 삼각형으로 결함이 성장하는 과정에 관해서 밝혀진 바가 없었다. |
2. 연구내용이종훈 교수 연구팀과 홍석륜 교수 연구팀은 이종원소 2차원 재료인 hBN에서 전자빔에 의해 형성되는 결함의 거동을 원자 수준에서 실시간으로 관찰했다. 이는 hBN 단원자층에서 형성된 결함을 단일 공공(monovacancy)에서부터 확장된 크기의 구멍까지 단계적으로 직접 관찰 및 추적해 재료의 구조 변화를 실시간으로 보여줬다. hBN의 경우에는 그래핀과 달리 붕소와 질소의 이종원소로 이뤄졌다. 전자빔에 의해 각 원소에 인가되는 녹온 임계치(knock-on threshold)가 두 원소마다 다른 것이다. 바로 이 점 때문에 hBN에서 결함이 생길 때 특별한 삼각형 모양의 구멍이 만들어진다. 이런 모양은 전자빔을 계속 쏘아 구멍이 확장될 경우에도 유지된다. 이번 연구를 통해 이종원소 이차원 재료의 영역에서 형성되는 결함에 의한 구조 변화를 실시간으로 관찰했다. 이에 따라 이차원 재료 결함 기구에 대해 학문적 기반을 확립할 수 있게 됐다. 실시간 거동으로 밝혀진 hBN의 결함 형성 과정은 밀도함수이론(DFT: Density Funtional Theory)와 분자동역학(MD: Molecular Dynamics)을 통해 실험적인 연구내용이 계산적 연구내용과 상응한다는 것을 확인했다. |
3. 기대효과이종원소로 이뤄진 대표적 이차원 재료인 hBN 내 결함 형성 과정이 원자 수준에서 구체적으로 연구됐다. 이로써 이차원 재료의 원초적 물성 조절 및 동역학적 결함 형성 연구를 체계적으로 정립할 수 있는 계기가 됐다. 특히 재료를 구성하는 원자들의 거동을 실시간으로 관찰해 결함에 의한 구조의 변화 및 원자의 거동을 효과적으로 입증했다. 이는 이차원 재료의 근본적인 결함이론 정립에 학문적으로 도움이 될 것으로 기대한다. 또 이차원 재료를 이용한 원자 결함과 동역학적 물리 현상 규명을 통해 새로운 이차원 신소재 개발의 기반이 될 수 있을 것이라 기대한다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 나노스케일 (Nanoscale)영국 왕립 화학회 (Royal Society of Chemistry)에서 주간으로 발행하는 나노 과학 및 기술을 종합적으로 다루는 나노분야의 주요 저널(피인용 지수: 6.739, 2013년 기준)이다. ‘Front Cover(표지 논문)’는 저널 에디터가 우수 논문 중에서 선정한다. ‘2015 Hot Paper’는 논문 심사위원들의 추천으로 선정되며, 올해 중요 연구결과를 보여주는 논문 중에서 고른다. |
2. 질화붕소 (hBN; hexagonal Boron Nitride)붕소(B)와 질소(N)가 교대로 육각형 격자를 이루는 단원자 두께의 층상 구조 물질이다. 구조적으로 그래핀의 육각형 격자와 매우 유사하며, 전기 절연성을 뛰어나다. ‘백색 흑연’이라고도 불린다. |
3. 녹온 임계치 (Knock-on Threshold)격자를 구성하고 있는 원자들이 전자빔에 의해 격자 내의 결합을 끊고 떨어져 나가는 가속 전자 에너지 임계치다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림 1. 원자 하나 두께의 이차원 재료인 질화붕소에 삼각형 구멍이 생기는 과정. 단원자층 두께의 이차원 재료인 질화붕소에서 전자빔을 쏘면 위 그림처럼 삼각현 구멍이 생긴다. 윗줄의 그림은 삼각형 구멍이 생기는 순서를 보여준다. 결함은 주로 삼각형의 한 변의 중간 부분에서 형성돼 한 줄이 사라지는 형태로 이뤄진다. 아랫줄 그림은 결함이 생기는 부분에서 붕소와 질소의 단원자 사슬이 함께 떨어져 나가는 모습을 보여준다. |
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