[논문]전자재료로서 2차원 무기소재 나노시트 연구의 전망

김인영

전자재료로서 2차원 무기소재 나노시트 연구의 전망 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.29 no.6, 2016년, pp.28 - 38

김인영 (University of South Australia)

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문제 정의

다음으론 분산액 형태의 무기소재 나노시트를 전기전자재료로 이용하기 위해 박막 제작 외 다른 소재와 혼성화 하는 방법에 대해 소개하고자 한다. 제 2의 화학종을 무기소재 나노시트에 혼성화시킴으로써 분산액으로부터 무기소재 나노시트를 분말형태로 고형화 (Solidification)할 수 있고, 새로운 물리화학적 특성을 무기소재 나노시트에 부여할 수 있다 [1,14].
따라서 이 2차원 무기 화합물의 경우 화학적 조성을 조절함으로써 부도체부터 도체까지 이르는 다양한 물성을 갖는 전기전자재료를 만들 수 있다[1]. 본 고에서는 전기전자재료로서 2차원 무기나노시트의 연구를 전망하고자 한다.
지금까지 금속산화물, 금속수산화물, 금속 칼코겐화물의 무기소재 나노시트가 전기전자 재료로 사용된 사례들에 대해 살펴보았다. 무기소재 나노시트를 전기전자재료로 사용하기 위한 분야는 여전히 많이 남았으며 전기전자 재료로서 무기소재 나노시트의 우수한 성능을 구현하기 위해 개선해야 할 과제들 또한 많이 존재한다.
지금부터는 무기소재 나노시트가 전기전자재료로 사용된 구체적인 예를 살펴보고자 한다. 첫번째 예로 리튬이온 이차전지의 전극 소재로 무기소재 나노시트가 사용된 연구다.
무기소재 나노시트를 전기전자재료로 하여 소자화하기 위해서는 무기 나노시트만 사용하거나 다른 소재와 함께 혼성화하는 방법이 있다. 지금부터는 무기소재 나노시트를 소자화하는 방법에 대해 알아보고자 한다. 무기소재 나노시트를 박막화하는 방법은 랑뮤어-블로젯 방법(Langmuir-Blodgett method), 교차적층법(Layer-by-layer method), 전기화학적 증착법(Electrochemical deposition) 등이 있다 [11-13].

제안 방법

그림 3. 교차적층법을 통한 나노시트 박막 제조 공정.
이들은 랑뮤어-블로젯 방법을 통해 부도체성 금속산화물 나노시트를 고밀도로 쌓아 20 nm 이하의 두께에서 200~300에 달하는 유전율을 보고하였다 [11]. 또한 이 연구진은 2가지 이상의 다양한 Ferroelectric 또는 Ferromanetic 나노시트를 교대로 적층하여 Multiferroics를 제작할 수 있음을 제안하였다 [11].
그림 4. 전기화학적 증착법을 통한 나노시트 박막 제조 공정.

대상 데이터

네번째 예는 다층 세라믹 캐패시터의 유전 소재로 무기소재 나노시트가 사용된 연구이다. 초소형 전자 장비의 개발이 중요해지면서 다층 세라믹 캐패시터를 소형으로 얇게 만들어야 하는 필요성이 대두되지만 기존에 유전체로 사용해오던 BaTiO₃는 나노입자가 되면 유전성능이 현저히 저하된다.
2차원 Li₄Ti₅O₁₂ 나노시트는 얇은 두께를 가지고 있으며, 재조합시 다공성의 넓은 비표면적을 가질 수 있으므로 Li₄Ti₅O₁₂ 기반 음극 소재의 성능을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 두번째 예는 수퍼캐패시터의 전극 소재로 무기소재 나노시트가 사용된 연구이다. 코발트-알루미늄 이중층 수산화물 (Co-Al-LDH)은 전기화학적 활성을 갖는 반도체다.
그림 6. 우수한 리튬이온 이차전지 양극 성능을 갖는 MnO₂ -[Mn_1/3Co_1/3Ni_1/3]O₂ 혼성체 [16].
그림 9. 우수한 산소환원 전기화학 촉매 활성을 갖는 Pt-그래핀-Ti_1.83O₄ 나노시트 혼성체.
초소형 전자 장비의 개발이 중요해지면서 다층 세라믹 캐패시터를 소형으로 얇게 만들어야 하는 필요성이 대두되지만 기존에 유전체로 사용해오던 BaTiO₃는 나노입자가 되면 유전성능이 현저히 저하된다. 일본 국립 물질재료연구기구 (National Institute for Materials Science, NIMS) 연구진은 무기소재 나노시트가 in-plane 방향으로는 결정성이 매우 높고 out-of-plane 방향으로는 두께가 매우 얇다는 사실에 착안하여 Ti⁴⁺, Nb⁵⁺, Ta⁵⁺와 같은 d 오비탈이 비어있는 이온으로 이루어진 금속산화물 나노시트 (Ti₂NbO₇, Sr₂Nb₃O₁₀, Sr₂Ta₃O₁₀ 등)를 유전체로 사용하였다. 이들은 랑뮤어-블로젯 방법을 통해 부도체성 금속산화물 나노시트를 고밀도로 쌓아 20 nm 이하의 두께에서 200~300에 달하는 유전율을 보고하였다 [11].
지금부터는 무기소재 나노시트가 전기전자재료로 사용된 구체적인 예를 살펴보고자 한다. 첫번째 예로 리튬이온 이차전지의 전극 소재로 무기소재 나노시트가 사용된 연구다. 층상 구조 MnO₂는 친환경적이고 값이 싸며 높은 리튬이온 저장능을 갖는 전극 소재이다.

성능/효과

RuO₂, CoO₂ 나노시트는 금속산화물 나노시트 가운데 전기전도성이 높은 나노시트다. 친수성의 RuO₂ 나노시트를 전도성 첨가제로 사용하면 친수성의 광촉매 소재와 더욱 강한 화학결합을 이룰 수 있기 때문에, 광촉매를 위한 전도성 첨가제로 그래핀을 사용하는 것보다 RuO₂ 나노시트를 사용하는 것이 더욱 효과적임이 이화여대 연구진의 최근 연구결과를 통해 밝혀졌다.

후속연구

83O₄ 나노시트를 전구체로 이용하여 지금까지 보고된 적이 없었던 2차원 Li₄Ti₅O₁₂나노시트를 합성한 바있다 (그림 7)[17]. 2차원 Li₄Ti₅O₁₂ 나노시트는 얇은 두께를 가지고 있으며, 재조합시 다공성의 넓은 비표면적을 가질 수 있으므로 Li₄Ti₅O₁₂ 기반 음극 소재의 성능을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. 두번째 예는 수퍼캐패시터의 전극 소재로 무기소재 나노시트가 사용된 연구이다.
무기소재 나노시트를 전기전자 재료로 사용하기 위해서는 고순도의 무기소재 나노시트가 필요하므로 무기소재 나노시트 외 다른 부산물을 제거할 수 있는 정제기술 개발 또한 필수적이다. 더불어 다양한 무기소재 나노시트들의 전자구조 등에 대해 이론과 실험적으로 밝혀진 바가 거의 없으므로 이와 같은 후속 연구들이 수행된다면 2차원 무기소재 나노시트는 차세대 전기전자 소재로서 그래핀 이상의 유용성을 가질 것으로 기대된다.
무기소재 나노시트의 단일층으로의 박리화 수율을 높이기 위한 시도들이 계속 되고 있으며, 특히 금속칼코겐화물의 경우 박리화된 금속칼코겐화물 나노시트의 화학적 안정성을 높이는 것은 매우 도전적인 연구라고 할 수 있다. 또한, 층상 금속수산화물을 제외한 대부분의 무기소재 나노시트는 수용액에 분산되어 있어서 이를 유기용매에 분산시키기가 어려우므로, 표면개질 등을 통해 무기소재 나노시트가 유기용매에 분산되도록 한다면 보다 다양한 화학 반응에 무기소재 나노시트를 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 무기소재 나노시트를 전기전자 재료로 사용하기 위해서는 고순도의 무기소재 나노시트가 필요하므로 무기소재 나노시트 외 다른 부산물을 제거할 수 있는 정제기술 개발 또한 필수적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2차원 무기소재 나노시트는 어떤 2차원 무기소재를 박리화하여 만들 수 있는가?	2차원 무기소재 나노시트는 2차원 무기소재를 박리화하여 만든다. 2차원 무기소재는 금속산화물, 금속수산화물, 금속칼코겐화물 등이 있다. 2차원 무기소재를 박리화하는 방법은 그림 1에 나타낸 것처럼 3가지로 분류할 수 있다.
	그래핀은 무엇인가?	2004년 맨체스터 대학교의 가임교수가 그래핀을 최초로 관찰한 이래 많은 사람들이 그래핀의 독특한 성질에 대해 주목하여왔다. 그래핀은 sp2 탄소 한층으로 이루어진 물질로서 전기전도 성과 열전도성이 뛰어나 연구자들은 그래핀이 차세대 전기전자재료로 사용될 것으로 전망하고 있다. 그래핀의 우수한 물리화학적 성질은 2차원 층상구조로부터 기인한다.
	그래핀의 우수한 물리화학적 성질은 무엇에서 기인하는가?	그래핀은 sp2 탄소 한층으로 이루어진 물질로서 전기전도 성과 열전도성이 뛰어나 연구자들은 그래핀이 차세대 전기전자재료로 사용될 것으로 전망하고 있다. 그래핀의 우수한 물리화학적 성질은 2차원 층상구조로부터 기인한다. 따라서 최근 그래핀 외에도 다양한 2차원 소재에 대한 관심이 높아지고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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