육방정 질화 붕소(h-BN): 구조, 특성 및 응용 분야

소개

질화붕소 (BN)는 입방정(c-BN), 육방정(h-BN), 무정형 등 여러 가지 결정 형태로 존재합니다. 이 중 육방정 질화붕소는 흑연과 구조적으로 유사하고 열 안정성, 전기 절연성, 화학적 불활성이 결합되어 있어 가장 주목받고 있습니다. 흔히 '백색 흑연'이라고 불리는 h-BN은 현재 마이크로전자공학, 고온 엔지니어링 및 첨단 복합재료에 널리 사용되고 있습니다.

구조 및 고유 특성

육방정 질화 붕소는 ABAB 적층 구성의 층상 육방정 격자를 채택합니다. 각 층은 강력한 평면 내 공유 결합으로 결합된 붕소 원자와 질소 원자로 교대로 구성됩니다. 반데르발스 힘에 의해 지배되는 층간 상호 작용으로 인해 재료는 기계적으로 이방성(평면 내에서는 단단하고 평면 외에서는 쉽게 쪼개질 수 있는)을 갖게 됩니다.

h-BN과 흑연은 유사한 격자 구조를 공유하지만, 전자 구조는 근본적으로 다릅니다. 흑연은 비편위화된 π전자로 인해 전도성이 있는 반면, 이온성 B-N 결합을 가진 h-BN은 넓은 밴드갭 절연체(~5.9eV)입니다.

주요 특성

• 결정 구조: 육각형

• 격자 파라미터: a ≈ 2.50 Å, c ≈ 6.66 Å

• 층간 간격: ~3.33 Å

• 밴드갭: ~5.9eV(간접)

• 밀도: ~2.1 g/cm^3

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열물리 및 화학적 특성

h-BN은 열 전도성, 열 안정성, 내화학성의 독특한 조합을 보여줍니다:

• 열 전도성: 평면 내 최대 200-400W/m-K, 평면 외에서는 훨씬 낮습니다.

• 열 팽창: 이방성; 평면 내에서는 ~2 × 10^-6 K^-1, 평면 외에서는 더 높음.

• 화학적 안정성: 대부분의 산과 염기에 불활성이며 최대 ~1000°C의 공기 중에서 안정적입니다.

• 윤활성: 낮은 마찰 계수, 진공 및 산화 환경에서도 안정적입니다.

이러한 특성 덕분에 h-BN은 열, 산화, 마모가 결합된 까다로운 환경에 적합합니다.

합성 기술

육방정 질화 붕소(h-BN)의 합성 경로는 구조적 품질, 측면 크기, 두께 제어 및 결함 밀도를 직접 결정하며, 이 모든 것이 전자, 열 및 기계 응용 분야에서의 적합성에 영향을 미칩니다. 크게 합성 방법은 하향식 박리 전략과 상향식 화학적 성장 기술로 분류할 수 있습니다.

하향식 방법

이러한 접근 방식은 벌크 h-BN에서 시작하여 더 얇은 플레이크 또는 몇 층으로 된 시트로 줄입니다.

기계적 각질 제거
흔히 "스카치 테이프" 기법이라고도 하는 이 방법은 접착 재료를 사용하여 벌크 h-BN 결정에서 물리적으로 층을 벗겨내는 것입니다. 이 방법은 결정성이 높고 결함 밀도가 낮아 기초 연구나 고성능 2D 장치에 이상적이라는 장점이 있습니다. 그러나 이 공정은 수작업으로 시간이 많이 걸리고 본질적으로 수율이 낮기 때문에 대규모 또는 상업적 생산에는 적합하지 않습니다.

액상 각질 제거(LPE)
LPE는 적절한 용매(예: N-메틸-2-피롤리돈, 이소프로판올 또는 수용성 계면활성제 용액)에서 초음파 또는 고전단 혼합을 사용하여 벌크 h-BN을 몇 층의 나노시트로 박리합니다. 기계적 박리보다 처리량이 높고 그램 수준 또는 그 이상으로 확장할 수 있습니다. 그러나 이 공정에서는 종종 구조적 결함, 가장자리 산화 또는 시트 조각화가 발생하여 전기적 및 기계적 특성이 저하될 수 있습니다. 원심분리는 일반적으로 각질 제거 후 원하는 두께와 크기 분포의 플레이크를 선택하기 위해 사용됩니다.

하향식 방법의 문제점:

• 측면 치수와 두께에 대한 제어가 제한적입니다.

• 계면활성제나 용매를 완전히 제거하기 어려움.

• LPE의 결함 밀도가 높으면 열 및 전자 성능이 제한될 수 있습니다.

상향식 방법

상향식 기술은 필름 성장을 원자 수준에서 제어할 수 있으며 균일성, 두께 정밀도 및 통합이 중요한 경우에 선호됩니다.

화학 기상 증착(CVD)
CVD는 단층 또는 단층 h-BN의 웨이퍼 규모 합성을 위한 가장 유망한 방법입니다. 일반적인 전구체는 다음과 같습니다:

• 암모니아 보란(NH3-BH3): 열 분해를 통해 BN을 생성합니다.

• 보라진(B3N3H6): B-N 결합이 이미 존재하는 고리형 화합물로, 결정성이 더 높습니다.

• B-트리클로로보라진(B3N3Cl3 )과 디보란 + 암모니아 혼합물도 연구되었습니다.

성장은 일반적으로 900°C~1100°C 범위의 온도에서 구리, 니켈 또는 철 호일과 같은 전이 금속 기판에서 발생합니다. 기판 유형은 핵 형성 밀도, 입자 크기 및 정렬에 영향을 미칩니다. h-BN을 절연 또는 반도체 표면에 통합하려면 전사 공정이 필요합니다.

CVD 품질에 영향을 미치는 주요 파라미터:

• 전구체 유량 및 순도

• 챔버 압력(저압 CVD는 더 큰 도메인을 산출)

• 기판 결정성 및 방향성

• 성장 후 냉각 속도(입자 경계 형성에 영향을 미침)

폴리머 파생 세라믹(PDC)
PDC 합성은 폴리보라질렌 또는 폴리[B-트리클로로보라진]과 같은 붕소 및 질소 함유 폴리머 전구체를 열분해하는 과정을 포함합니다. 제어된 분위기(주로 암모니아 또는 질소)에서 이러한 전구체는 질화붕소 세라믹으로 분해됩니다. 이 방법은 도가니, 절연체 또는 코팅과 같은 벌크 또는 형상 h-BN 구성 요소를 제작하는 데 적합합니다. 이 공정은 섬유 보강재 또는 다공성 스캐폴드와 통합할 수 있어 구조용 복합재에 이상적입니다.

PDC의 장점:

• 정밀한 화학량론적 제어

• 열분해 전 맞춤형 성형

• 기계적 및 열적 사용을 위한 고밀도 비다공성 세라믹을 생산할 수 있는 능력

요약 및 트레이드 오프

응용 분야

전자 및 절연 시스템
유전체 강도가 높은 원자적으로 평평한 절연체로서 h-BN은 2D 전자 장치에서 게이트 유전체, 기판 또는 캡슐화 층으로 널리 사용되며 특히 그래핀 및 TMD 헤테로구조에 사용됩니다.

고온 부품
열충격 저항성과 불활성으로 인해 h-BN은 용광로 부품, 도가니, 열 보호 시스템과 같은 항공우주 분야에 사용됩니다.

고체 윤활제 및 코팅
h-BN은 고온과 공기 중에서 윤활성을 유지하여 금속 성형 및 항공우주 어셈블리와 같은 산화 환경에서 흑연보다 유리한 이점을 제공합니다.

폴리머 및 세라믹 복합재
h-BN을 폴리머 또는 세라믹에 통합하면 전기 절연성을 유지하면서 열전도율과 치수 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 일반적인 응용 분야로는 열 인터페이스 재료(TIM)와 구조용 절연체가 있습니다.

포토닉스 및 자외선 광학
h-BN의 자외선에서의 높은 광학 투명성과 포논-폴라리톤 거동은 딥 UV 포토닉스 및 비선형 광학 애플리케이션에 유망합니다.

6. 결론

육방정 질화 붕소는 넓은 밴드갭, 높은 열 전도성, 우수한 내화학성을 모두 갖춘 보기 드문 소재입니다. 이방성 구조와 다른 2D 소재와의 호환성으로 인해 차세대 전자, 광학 및 열 시스템의 필수 구성 요소입니다. 지속적인 연구를 통해 다음과 같은 분야로의 통합이 확대되고 있습니다:

• 확장 가능한 CVD 기반 2D 재료 플랫폼

• 엔지니어링 인터페이스를 갖춘 고성능 복합 재료

• 쌍곡선 포논 분산을 활용하는 광학 소자

헨켈은 산업 및 연구 응용 분야에 적합한 고순도 h-BN 분말, 코팅 및 소결 형상을 공급합니다. 질화붕소 소재가 귀사의 다음 프로젝트에 어떻게 적합한지 알아보려면 기술팀에 문의하세요.