KR101557246B1 - 마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 마찰전기 현상을 이용하여 2차원 구조 물질들(2D metal, 2D semi conductor 등) 표면에 높은 농도의 전하를 대전시켜 전도도, 도핑 프로파일(doping profile) 등의 전기적 특성을 제어할 수 있는 새로운 기술에 대해 소개하고자 한다.

Description

마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법 {METHOD FOR CONTROLLING ELECTRICAL PROPERTY OF 2D MATERIAL USING TRIBOELECTRIFICATION}
본 발명에서는 마찰전기 현상을 이용하여 2차원 구조 물질들(2D metal, 2D semi conductor 등) 표면에 높은 농도의 전하를 대전시켜 전도도, 도핑 프로파일(doping profile) 등의 전기적 특성을 제어할 수 있는 새로운 기술에 대해 소개하고자 한다.
마찰전기 현상은 기원전 600년 전부터 발견되었던 현상으로 서로 다른 물질의 표면에서 마찰이 일어났을 때 생성되는 표면 정전하에 의한 여러 가지 현상을 말한다. 일반적인 전자소자에서 이러한 마찰전기현상은 제어하기 힘든 변수로 작용하여 소자의 특성을 감소 또는 파괴시키기 때문에, 마찰전기 발생을 억제 시키거나 단순히 마찰전기에 의해 형성된 정전기적 인력을 이용하는 방향으로 연구가 많이 진행되어왔다. 하지만 최근 마찰전기를 이용한 에너지 하베스팅이 가능하다는 연구가 발표되면서, 마찰전기를 이용한 정전기 현상과 기존 물질이 갖는 전기적 특성과의 커플링(coupling) 효과에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 2차원 구조 물질(2D 물질)은 단원자 층의 나노구조를 가질 때 일반적인 벌크(bulk) 형태에서는 보이지 않던 우수한 전기적, 기계적 특성이 발현되어, 굽힘가능하며 투명한 차세대 전자소자 응용을 위한 최적의 물질로 큰 관심을 받고 있다.
2차원 나노구조 물질은 향상된 특성을 갖는 투명전극 및 반도체 물질로서 활용하기 위한 연구가 계속적으로 진행되고 있는 상황이다. 2차원 구조 물질의 전기적 특성 제어 및 향상을 위해 기존에 사용되어진 방법은 도펀트(dopant)로 작용 할 수 있는 분자, 원자 혹은 금속입자들을 데코레이션(decoration) 시키는 화학적 도핑(chemical doping), 페로섭스트레이트(Ferrosubstrate) 및 게이트 전압(gate voltage)를 이용한 정전기적 도핑(electrostatic doping) 그리고 구조 자체에 결함(defect)을 형성하거나 나노리본(nanoribbon) 형태로 바꾸는 방법 등이 널리 연구되어 오고 있다.
하지만 화학적 도핑의 경우 그 특성이 영구적이지 못하며 정밀한 제어가 매우 어려우며, 정전기적 도핑의 경우 비교적 정밀한 제어가 가능하지만 항상 게이트 전압을 유지할 수 있는 추가적인 구조가 반드시 필요하며, 에너지적으로도 효율이 좋지 못하다는 단점이 있다.
또한, 2차원 구조 물질의 결함을 발생시키거나 나노리본 형태를 만드는 방법의 경우 본래의 특성이 매우 저하되며, 소자 설계에 제약이 따른단 단점이 존재한다.
현재 2차원 구조 물질은 투명하고, 유연성이 있으며 기계적 특성이 뛰어나 상용화 하고자 하나, 단원자 층의 아주 얇은 박막이기 때문에 전기적 특성 제어가 어렵다는 문제점이 가장 큰 걸림돌인 상황이다. 따라서 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 연구가 지속적으로 진행 되고 있으나, 앞서 설명한 것처럼 많은 단점을 가지고 있는 상황이다.
이러한 상황에서, 본 발명에서는 마찰을 통해 2차원 표면에 형성된 추가 전하들을 이용 통해 기존의 방법의 단점을 극복할 수 있는, 간단하고 비파괴적인 2차원 구조 물질의 전기적 특성 제어 기술에 대해 소개 하고자 한다.
본 발명은 2차원 구조 물질의 전기적 특성 제어 및 향상시키기 위해 연구된 기존의 방법의 문제점을 극복하는 발명으로서, 2차원 구조 물질을 다른 물질(마찰대전체)과 마찰시켜 전기적 특성을 제어 및 향상을 도모 할 수 있는 간단하면서도 효과적인 새로운 방안 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법은, 2차원 구조 물질을 준비하는 단계; 2차원 구조 물질과 마찰이 이루어질 마찰 대전체를 준비하는 단계; 및 2차원 구조 물질과 마찰 대전체를 마찰시키는 단계를 포함한다.
2차원 구조 물질은 2차원 구조의 반도체 물질 또는 2차원 구조의 금속성 물질을 포함한다.
이 경우 2차원 구조 물질의 일함수 값과 상이한 일함수 값을 갖는 마찰 대전체를 이용한다. 이때, 상기 2차원 구조 물질의 일함수 값과 상기 마찰 대전체의 일함수 값의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커진다.
또한, 2차원 구조 물질의 대전 특성과 상이한 대전 특성을 갖는 마찰 대전체를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 2차원 구조 물질의 대전 특성과 상기 마찰 대전체의 대전 특성의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지게 된다.
본 발명에 따르면, 2차원 구조 물질을 다른 물질(마찰대전체)과 마찰시켜 간단하면서도 효과적으로 전기적 특성을 제어 및 향상을 도모할 수 있다.
본 발명은 2차원 구조 물질의 특성을 제어 및 향상하는데 있어서 간단하면서도 효과적이며 경제적이기 때문에 2차원 구조 물질의 상용화를 앞당길 수 있는 큰 시발점이 될 수 있을 것이라 예상되며, 전기적 특성이 제어된 2차원 구조 물질을 다양한 용도로 응용할 수 있을 것이라 기대된다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하는 모습의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어한 경우의 그래프이다.
도 3은 AFM을 이용한 그래핀의 표면 포텐셜의 측정 실험 과정 및 결과를 도시한다.
도 4a-4c는 3차원 구조 물질보다 2차원 구조 물질의 경우 마찰에 의한 전기적 특성 변화가 오랫동안 지속됨을 나타내는 데이터이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 2차원 구조 물질의 전기적 특성 제어 및 향상시키기 위해 연구된 기존의 방법의 문제점을 극복하는 발명으로서, 본 발명에 따르면 2차원 구조 물질을 다른 물질과 마찰시켜 간단하면서도 효과적으로 전기적 특성을 제어 및 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법은, 2차원 구조 물질을 준비하는 단계; 2차원 구조 물질과 마찰이 이루어질 마찰 대전체를 준비하는 단계; 및 2차원 구조 물질과 마찰 대전체를 마찰시키는 단계를 포함한다.
2차원 구조 물질은 2차원 구조의 반도체 물질 또는 2차원 구조의 금속성 물질을 포함한다. 대표적인 예로는 그래핀(graphene), WSe2, WS2, WTe2, MoS2, MoTe2, MoSe2 등이 있다.
2차원 구조 물질의 경우 원자 층의 얇은 박막이기 때문에 전하의 수가 벌크(bulk) 물질 보다 작게 존재하는데, 전하의 수가 적기 때문에 외부의 마찰을 통해 주입되는 전하의 수가 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 크게 변화 시킬 수 있다. 전기적 특성의 제어가 용이하기 위해서는, 전하의 수가 적은 2차원 구조 물질이 더욱 바람직하다. 정리하면, 2차원 구조 물질의 경우에는 3차원 구조 물질보다 전하의 수가 적고, 따라서 외부 마찰 대전체와의 마찰에 의해 전하의 수가 변경된 경우 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화에 영향을 크게 미칠 수 있다는 것이다.
준비된 2차원 구조 물질에 마찰 대전체를 마찰 시킴으로써 마찰 대전체와의 마찰을 통해 주입되는 전하에 의해 2차원 구조 물질의 전기적 특성이 변경되는 것이다.
이 경우 마찰 대전체와의 마찰에 의해 전기적 특성이 제어되는 2차원 구조 물질은, 아래에서 설명하는 것과 같은 2차원 구조 물질과 마찰 대전체 간의 특성 차이에 의해 제어될 수 있다.
2차원 구조 물질의 전기적 특성의 제어에 있어서 2차원 구조 물질과 마찰 대전체 간의 일함수 값의 차이와 트리보일렉트릭 시리즈 상에서의 대전 특성의 차이값은 매우 중요한 포인트가 된다.
일함수 값의 차이를 살펴보면, 2차원 구조 물질의 일함수 값과 상이한 일함수 값을 갖는 마찰 대전체를 이용하는 것이 바람직하다. 일함수 값의 차이에 의해 대전되는 전하의 종류를 제어할 수 있는데, 2차원 구조 물질의 일함수 값에서 마찰 대전체의 일함수 값을 뺀 값이 0보다 크면 (-) 전하를 형성하게 되고, 0보다 작으면 (+) 전하를 형성하게 된다. 예를 들어 2차원 구조 물질이 n형의 반도체 물질인 경우 전자 수를 감소시키기 위해서는 반대되는 (+) 전하를 생성시켜야 하며 이를 위해서는 마찰 대전체의 일함수 값이 2차원 구조 물질의 일함수 값보다 큰 것을 이용하여 마찰시키면 된다. 또한, 이 경우 2차원 구조 물질의 일함수 값과 마찰 대전체의 일함수 값의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지게 된다.
다음으로 트리보일렉트릭 시리즈 상에서의 대전 특성의 차이를 살펴보면, 2차원 구조 물질의 대전 특성과 상이한 대전 특성을 갖는 마찰 대전체를 이용하는 것이 바람직하다. 대전 특성의 차이에 의해 대전되는 전하의 종류를 제어할 수 있는데, 2차원 구조 물질보다 트리보일렉트릭 시리즈 상에서 포지티브(positive) 쪽에 가까운 마찰 대전체를 이용하는 경우 (+) 전하를 형성하게 되고, 네거티브(negative) 쪽에 가까운 마찰 대전체를 이용하는 경우 (-) 전하를 형성하게 된다. 예를 들어 2차원 구조 물질이 n형의 반도체 물질인 경우 전자 수를 감소시키기 위해서는 반대되는 (+) 전하를 생성시켜야 하며 이를 위해서는 마찰 대전체의 대전 특성이 트리보일렉트릭 시리즈 상에서 2차원 구조 물질보다 포지티브 쪽에 가까운 것을 이용하여 마찰시키면 된다. 또한, 이 경우 역시 2차원 구조 물질의 대전 특성과 마찰 대전체의 대전 특성의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커진다.
위에서 설명한 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 제어를 통해, 예를 들어 n형 2차원 구조 물질의 경우 캐리어 수를 감소시킬 수도 있고, 캐리어 수의 변경에 의해 p형 물질로 변경시킬 수도 있으며, 또한 캐리어 수를 증가시킬 수도 있게 되는 것이다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하는 모습의 모식도이다.
도 1a 내지 1c의 경우 2차원 구조의 반도체 물질의 예를 보여주는 모식도로서, 도 1a의 경우에는 마찰에 의해 발생된 전하에 의해 내부 캐리어 수가 감소되는 모습을 나타내고, 도 1b의 경우에는 마찰에 의해 발생된 전하에 의해 반도체적 특성이 n형에서 p형 또는 p형에서 n형으로 바뀔수 있는 모습을 나타내며, 도 1c의 경우에는 마찰에 의해 발생된 전하에 의해 내부 캐리어 수가 증가되는 모습을 나타낸다. 이러한 전기적 특성의 제어는 위에서 설명한 것처럼 2차원 구조 물질과 마찰 대전체의 일함수 값의 차이, 대전 특성의 차이를 이용하여 제어되게 된다.
예를 들어 2차원 구조의 반도체 물질의 경우, 마찰로 인해 주입된 캐리어 수에 의해 반도체 특성이 도 1에서와 같이 변화될 수 있다.
한편, 비슷하게 2차원 구조의 금속성(metallic) 물질의 경우에도 마찰 대전체와의 마찰을 통해 캐리어 수 증감에 따라 의해 전기전도도 특성이 제어될 수 있다. 이는 도 2의 실제 실험의 그래프를 통해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어한 경우의 그래프이다.
도 2의 실시예는 아래와 같은 방법에 의해 실험되었다.
그래핀을 CVD 방법을 통해 대면적으로 생산하고 일반적으로 알려진 웨트 전사(wet transfer) 방법을 이용하여 SiO2 에 전사 후 contact mode AFM(atomic force microscopy)를 이용하여 마찰을 시킨 후, 그래핀의 전기적 특성 변화를 확인하였다.
전기적 특성 변화가 있다는 것을 확인한 실험은 KPFM을 통하여 표면 포텐셜(surface potential)의 변화 및 I-V 커브의 변화를 확인하였다. 또한 AFM 팁(tip)을 그래핀과 마찰시킬 때 팁에 바이어스를 가하면서 실험을 진행하여, 그래핀이 대전되는 방향을 제어하였을 때 전기적 특성이 변하는 것을 확인하였다. 그래핀을 AFM(본 실험에서는 마찰 대전체에 해당함)을 이용하여 마찰 시킨 후, 그래핀의 전기적 특성을 측정할 수 있는 프로브 스테이션을 이용하여 I-V 커브를 측정하였을 때, 커브의 기울기가 마찰 전과 비교하여 증가하는 것을 확인하였으며 이러한 그래프의 모습이 도 2에서 도시되어 있다. I-V 커브의 기울기가 증가함은 그래핀의 저항이 줄어든다는 것을 알 수 있고, 이를 통해 마찰을 일으킨 그래핀의 경우 전기적 특성이 향상됨을 확인하였다.
도 3은 AFM을 이용한 그래핀의 표면 포텐셜의 측정 실험 과정 및 결과를 도시한다. 도 3에서 a 부분은 그래핀 표면 포텐셜을 측정하기 위한 모식도를 도시하며, b는 AFM을 이용하여 마찰을 발생시킨 영역의 KPFM 데이터를 도시한다. 그리고 c 부분은 마찰 과정 중의 AFM 팁에 0V, -bias, +bias를 가하여 그래핀의 대전 방향을 제어하였을 때 전기적 특성이 변경되는 것을 확인한 것이다.
KPFM 측정을 통해 얻어진 마찰부위의 전위차는 마찰에 의해 생성된 전하량을 확인할 수 있는데, KPFM측정 이미지의 색의 변화는 표면의 전위차의 변화를 나타내며 밝을수록 + 방향으로 높은 전위차를 갖으며 어두울수록 - 방향으로 높은 전위차를 갖는다. 따라서 도 3을 살펴볼 때 동일한 그래핀 표면상에서 마찰된 부분이 밝은 영역을 갖는 다는 것은 마찰에 의해 표면에 + 전위가 형성된 것을 의미하며 이는 표면에 + 전하가 형성되었다는 것을 의미하고, 반대의 경우는 - 전하가 형성된 것을 의미한다.
2차원 구조 물질의 경우, 마찰에 의해 주입된 전하가 일반 3차원 벌크 물질의 경우보다 오랫동안 지속된다는 것을 KPFM으로 확인할 수 있었는데, 주입된 전하의 확산 경로가 현저히 줄어든 2차원 구조 물질의 경우 마찰에 의한 전기적 특성 변화가 오랫동안 지속 될 수 있다는 것을 실험적으로도 확인할 수 있었으며, 이는 도 4에서 도시된다. 도 4를 살펴보면, 확산경로가 3차원인 벌크 형태의 물질에서는 마찰에 의해 주입된 전하가 쉽게 확산 및 방전 된다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 발명의 방법에 따라 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하는 경우, 기존 방법에 의한 2차원 구조 물질의 전기적 특성 제어의 시간지속성이 짧다는 문제점을 극복 가능하게 되었다.
도 4a-4c는 3차원 구조 물질보다 2차원 구조 물질의 경우 마찰에 의한 전기적 특성 변화가 오랫동안 지속됨을 나타내는 데이터이다.
도 4a 및 4b는 그래핀을 마찰시켜 표면에 전하를 형성시킨 후 시간에 따라 전위차의 변화가 어떻게 되는지를 확인한 그림과 그래프이다. 도 4a에서 볼 수 있듯이 시간이 지날수록 가운데 밝은 부분(대전된 전하가 존재하는 부분)이 조금씩 어두워지는 것을 볼 수 있으나 완벽히 없이지지는 않음을 확인할 수 있다. 이를 통해 제어된 전기적 특성이 2차원 구조 물질에서 계속 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 도 4b를 살펴보면 그래프에서 0분이 붉은색 선, 제일 시간이 많이 경과한 그래프가 연두색선이며 검은색 선이 마찰시키기 전 대전되지 않은 상태를 의미한다. 이 그래프는 마찰에 의해 전하가 형성되며 시간이 흘러도 약간의 감소는 있지만 결과적으로 대전된 상태를 5시간 이상은 유지할 수 있음을 의미하고 있다. 해당 그래프에서 각각의 선들이 얼마만큼의 시간경과 후에 측정된 결과인지 확인할수 있었다.
도 4c는 3차원 구조의 물질의 예시로서, 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 3차원 구조 물질의 경우에는 마찰 전기에 의해 발생된 전하가 쉽게 확산되고 방전됨을 확인할 수 있었다. 도 4c에서 보는 것처럼 3차원 구조 물질의 경우 마찰 후에 KPFM에 의해 전하가 발생되지 않은 것처럼 나타나며, 이를 통해 발생된 전하가 쉽게 확산되어 방전되었음을 알 수 있었다.
한편, 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하는데 있어서, 마찰을 일으킬 때 마찰을 일으킬 때 마찰의 힘, 마찰 속도 및 마찰 횟수 중 어느 하나 이상의 값이 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지게 된다.
위에서 설명을 종합하면, 본 발명은 2차원 구조 물질의 특성을 제어 및 향상하는데 있어서 간단하면서도 효과적이며 경제적이기 때문에 2차원 구조 물질의 상용화를 앞당길 수 있는 큰 시발점이 될 수 있을 것이라 예상되며, 전기적 특성이 제어된 2차원 구조 물질을 다양한 용도로 응용할 수 있을 것이라 기대된다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 2차원 구조 물질을 준비하는 단계;
    2차원 구조 물질과 마찰이 이루어질 마찰 대전체를 준비하는 단계; 및
    2차원 구조 물질과 마찰 대전체를 마찰시키는 단계를 포함하고,
    상기 2차원 구조 물질의 일함수 값과 상기 마찰 대전체의 일함수 값은 상이하며,
    상기 마찰 대전체와 상기 2차원 구조 물질의 마찰에 의해 상기 2차원 구조 물질의 저항값이 제어되는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 구조 물질의 일함수 값과 상기 마찰 대전체의 일함수 값의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
  4. 2차원 구조 물질을 준비하는 단계;
    2차원 구조 물질과 마찰이 이루어질 마찰 대전체를 준비하는 단계; 및
    2차원 구조 물질과 마찰 대전체를 마찰시키는 단계를 포함하고,
    상기 2차원 구조 물질의 대전 특성과 상기 마찰 대전체의 대전 특성은 상이하며,
    상기 마찰 대전체와 상기 2차원 구조 물질의 마찰에 의해 상기 2차원 구조 물질의 저항값이 제어되는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2차원 구조 물질의 대전 특성과 상기 마찰 대전체의 대전 특성의 차이가 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    마찰을 일으킬 때 마찰의 힘, 마찰 속도 및 마찰 횟수 중 어느 하나 이상의 값이 클수록 2차원 구조 물질의 전기적 특성의 변화가 커지는 것을 특징으로 하는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차원 구조 물질은 2차원 구조의 반도체 물질 또는 2차원 구조의 금속성 물질을 포함하는,
    마찰 전기를 이용한 2차원 구조 물질의 전기적 특성을 제어하기 위한 방법.
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