우르츠자이트 질화 붕소(w-BN): 구조, 특성 및 응용 분야

1. 소개

질화붕소 (BN)는 여러 결정 형태로 존재하며, 가장 많이 연구된 것은 육방정계(h-BN), 입방정계(c-BN) 및 우르츠자이트(w-BN)입니다. 이 중 w-BN은 가장 흔하지 않지만 뛰어난 기계적 특성을 보여 고성능 애플리케이션에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 구조적으로 GaN이나 ZnO와 같은 우르츠자이트 계열 소재와 유사한 w-BN은 이론적 경도가 다이아몬드보다 높고 열적, 화학적 안정성이 뛰어나다는 점이 특징입니다.

2. 결정 구조 및 주요 특성

우르츠자이트 질화붕소는 공간 그룹 P6₃mc의 육각형 결정 시스템을 채택합니다. 이 결정은 사면체로 배열된 붕소와 질소 원자가 ZnS 또는 GaN의 우르트자이트 구조와 유사한 3D 네트워크로 배열된 것이 특징입니다. 각 B-N 결합은 공유 결합으로 되어 있어 소재의 뛰어난 기계적 강성에 기여합니다.

다른 BN 폴리모프와 비교:

• h-BN: 흑연과 같은 층상 구조로 층간 힘이 약하고 윤활성이 우수합니다.

• c-BN: 입방형 아연 혼합 구조로 다이아몬드 다음으로 가장 단단한 소재로 알려져 있습니다.

• w-BN: 사면체 배향이지만 우르츠자이트 격자로 배열, 응력을 받는 독특한 변형 메커니즘으로 인해 c-BN과 다이아몬드보다 압입 강도가 높을 것으로 예상됨.

w-BN의 격자 파라미터:

• a ≈ 2.55 Å

• c ≈ 4.23 Å

3. 구조-성능 상관관계

3.1 경도 대 인성

• 우르츠자이트 BN의 강력한 sp^3형 B-N 결합은 경도를 높이지만, 비입방 대칭은 특정 방향에서 인성을 향상시킵니다.

3.2 열 및 산화 거동

• 방향에 따른 열팽창은 필름 무결성에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 고열 코팅이나 마이크로전자 기판에서 매우 중요합니다.

3.3 전기적 특성

• 넓은 밴드갭은 전자 이동도를 제한하지만, 필름 두께와 결함 제어를 통해 마이크로전자 용도에 맞게 유전체 특성을 조정할 수 있습니다.

4. 합성 접근법

w-BN을 생산하기 위해서는 엄격하게 제어된 조건과 특수 장비가 필요합니다:

4.1 고압, 고온(HPHT) 변환
우르챠이트 BN은 일반적으로 극압(7-20 GPa)과 고온(1700-2200°C)에서 h-BN 또는 c-BN을 변환하여 합성합니다. Ni 또는 Co와 같은 전이 금속이 촉매로 사용되는 경우가 많습니다. 이 공정에서는 모상에 포함된 작은 결정체가 생성되어 확장성이 제한됩니다.

4.2 충격 압축
폭발 또는 레이저 구동 기술을 사용하여 h-BN을 충격파로 압축하면 일시적으로 w-BN으로 변환할 수 있습니다. 이 빠른 비평형 공정은 나노 크기의 w-BN 영역을 생성하지만 재현성 문제가 있습니다.

4.3 펄스 레이저 증착(PLD)
사파이어 또는 SiC와 같은 기판 위에 우르츠자이트와 유사한 특징을 가진 BN 박막을 성장시키기 위해 PLD가 연구되어 왔습니다. 박막 결정성과 상 순도는 여전히 문제로 남아 있지만 이 방법은 증착 매개변수를 제어할 수 있습니다.

4.4 이온 주입 및 어닐링
질소 또는 붕소 이온을 층상 기판에 주입한 후 고압에서 어닐링하면 우르츠자이트 상이 안정화될 수 있습니다. 에너지 용량과 어닐링 프로토콜을 최적화하기 위한 연구가 진행 중입니다.

5. 응용 전망 및 사례 연구

5.1 초경질 코팅 및 연마재
실리콘 웨이퍼 다이싱 블레이드와 같은 미세 가공용 공구 코팅. 초기 실험실 테스트에서 공격적인 하중 하에서 c-BN보다 향상된 내마모성을 보여주었습니다.

5.2 고온 보호층
터빈 블레이드, 연소실 라이닝 또는 원자로 부품에 PVD를 통해 증착하여 산화 대기에서 수명을 향상시킵니다.

5.3 마이크로전자 및 전력 기판
GaN 또는 SiC와 같은 와이드 밴드갭 반도체를 위한 절연, 열 확산 베이스 레이어로서의 잠재력. 초기 프로토타입은 향상된 열 순환 내구성을 보여줍니다.

5.4 광학 윈도우 및 센서 연구
자외선 차단 특성(~220nm 컷오프)과 경도는 항공우주 등급의 윈도우와 열악한 환경을 위한 슬라이드인 센서에 사용할 수 있음을 시사합니다.

6. 요약

우르츠자이트 질화붕소는 BN 계열의 독특하고 흥미로운 제품군입니다. 아직 상업적으로 대량 생산되지는 않지만 이론적으로 뛰어난 경도와 화학적 탄력성으로 인해 기존 세라믹이 부족한 첨단 응용 분야에 매력적인 소재입니다. 합성 방법이 개선됨에 따라 w-BN은 과학적 호기심에서 전략적으로 중요한 고성능 소재로 발전할 수 있습니다.

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