[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

탄소 원자 단층 두께인 2차원 신소재 그래핀1)은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 높은 열전도도와 투명도 덕분에 차세대 전자소재로 주목 받고 있지만, 밴드갭(bandgap)2)을 가지고 있지 않아 발광소재로 활용하는 데 어려움이 있다.

육방정계 질화붕소3)는 탄소로 구성된 그래핀과 유사하게 붕소와 질소 원자가 벌집 모양으로 연결된 2차원 소재로, 전기가 잘 통하는 그래핀과 달리 전기가 통하지 않는 절연성을 나타낸다고 알려져 있다.

유사한 결정 구조를 가지고 있는 그래핀과 육방정계 질화붕소를 활용한 2차원 평면 복합체는 순차적 성장법, 선택적 치환 반응으로 제조됐다. 이러한 평면 복합 구조 내에서 두 물질의 계면에 대한 이론적 연구는 활발히 보고되었지만, 실험적으로 계면을 분석하는 것은 극히 어렵고, 이러한 이유로 지금까지 계면에 대한 연구가 많이 미흡한 상황이었다.

2. 연구내용

연구팀은 유사한 결정 구조를 가지고 있는 그래핀과 육방정계 질화붕소 기반의 2차원 평면 복합체를 백금 촉매 치환 반응을 이용하여 제조하는 기술을 보유하고 있다. 제작된 복합체 내에서 기존에 보고되지 않았던 그래핀과 질화 봉소의 계면에서 새로운 청색 발광 특성을 발견한 것이다.

발광 원인을 파악하기 위해 다양한 비교 실험들을 진행했고, 그 결과 그래핀과 질화붕소의 계면에서부터 새로운 에너지 준위4)가 형성될 수 있음을 예측했다.

연구진은 투과 전자 현미경 (TEM) 분석법으로 그래핀과 질화붕소 사이 계면의 원자 구조를 관찰했고, 그 결과 6각형 구조가 아닌 5/7각형이 혼재된 무질서한 원자 배열이 확인됐다. 관찰된 구조를 바탕으로 시뮬레이션 계산한 결과, 전하가 무질서한 배열로 집중되면서 새로운 에너지 준위가 형성되고 이로부터 청색 발광 특성이 나타나는 것임을 확인한 것이다.

발광 효율을 높이기 위해 그래핀 양자점과 질화붕소로 구성된 평면 복합체를 제작하였고, 유기물 전하 수송층과 조합하여 청색 발광 소자로의 구현 가능성을 보여주었다.

3. 기대효과

이번 연구로 전도체인 그래핀과 절연체인 질화붕소의 계면이 광원소재로 활용될 수 있음을 입증했다. 이러한 발광 특성을 지닌 2차원 복합체 기반의 광센서나 LED와 같은 광전자소자를 구현함으로서 유연발광소자 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 그래핀 (Graphene)

그래핀은 탄소 원자들이 육각형 형태로 배열된 2차원 평면구조의 탄소소재다. 이 물질의 크기가 20㎚ 이하일 경우 ‘그래핀 양자점’이라고 부른다.

2. 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)

원자를 구성하는 전자는 모두 다른 에너지레벨(준위)를 갖는다. 물질은 무수히 많은 전자가 있어 하나의 선인 에너지레벨이 띠(energy band)형태를 이루는데 에너지띠 사이에 전자가 확률적으로 존재하지 않는 에너지 영역을 밴드갭이라 한다. 우리말로 ‘띠틈’ 이라고도 한다. 보통은 전자가 차이 있는 원자가띠(valence band)와 비어 있는 전도띠(conduction band) 사이에 존재하는 에너지 간격을 의미한다. 물질 고유의 성질이다. 이 성질에 따라 물질이 흡수하거나 방출하는 빛 에너지의 파장영역이 달라진다. 원자가띠와 전도띠가 만나 이 둘 사이에 간격이 없으면 전도체가 된다. 그래핀은 원자가띠와 전도띠가 점 형태로 만나는 독특한 물질이다.

3. 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride)

붕소(B)와 질소(N)로 이루어진 육각형 벌집구조 모양의 2차원 물질. 부도체처럼 전기가 안 흐르는 절연성을 지닌다. 물질 구조가 육각벌집구조로 그래핀과 유사해 화이트 그래핀으로 불린다.

4. 에너지 준위(Energy level)

원자주변에서 진동하고 있는 전자가 에너지를 흡수하거나 또는 방출하면서 가질 수 있는 에너지의 수준을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 그래핀과 질화붕소 계면의 청색 발광 특성. (a) 그래핀과 질화붕소로 구성된 2차원 평면 복합체 SEM 이미지. (b) 그래핀과 질화붕소 영역 및 계면의 발광 스펙트럼. (c) 청색 (410 nm 파장) 발광 맵핑 이미지.

그림 2. 그래핀과 질화붕소 계면의 청색 발광 원인 규명. (a) 그래핀과 질화붕소 사이 계면의 국소화 에너지 상태를 나타내는 시뮬레이션 결과. (b) 그래핀과 질화붕소 사이 TEM 이미지. 5각형과 7각형 원자 배열을 각각 노란색과 파란색으로 표시.

그림 3. 그래핀과 질화붕소 계면의 발광현상을 이용한 유연 발광소자. 노란색 점선안에 그래핀 기반 물질이 있다.