KR101906679B1 - 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법 - Google Patents

기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질화 붕소 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 고체 상태의 붕소 소스, 및 고체 상태의 질소 소스를 준비하는 단계, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 혼합하는 단계, 및 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리하고, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스가 기-액상 계면 반응을 하여 질화 붕소 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법{Process for producing boron nitride structure using interface reaction of vapor-liquid phases}
본 발명은 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법에 관한 것으로, 고체 소스와 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법에 관련된 것이다.
질화붕소(Boron nitride, BN)는 B와 N의 화합물로 육방정계(六方晶系) 질화붕소, 입방정계(立方晶系) 질화붕소, 울츠광(鑛, wurtzite) 질화붕소, 능면체정계(菱面體晶系) 질화붕소를 총칭한다. 질화붕소는 백색, 전기 절연성, 고융점, 고경도, 높은 가공성의 물리적 특성을 응용하여 다양한 분야에 적용되고 있으며, 더 자세하게는 낮은 마찰계수로 인하여 화장품의 첨가제나 이형제, 마찰 윤활 첨가제로 쓰이고, 화학적, 열적 안정성과 열전도도가 높아 고온용 도가니로도 이용되며, 뛰어난 방열 특성으로 인하여 방열재용 필러로도 각광받고 있다.
이에 따라, 질화붕소 및 그 제조 방법에 관한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한 민국 특허 공개 공보 10-2015-0060970(출원번호: 10-2015-7011253, 출원인: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤)에는 입방정 질화붕소의 함유 율이 50 체적% 이상 85 체적% 이하이고, 촉매의 함유율이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이며, 입방정 질화 붕소 소결체의 조직의 8 μm X 8 μm 의 영역을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상을 4행 4열의 부 분 영역으로 분할하는 선분 상에서 조성 분석을 행하고, 선분 상의 임의의 측정점에서의 질소의 검출 피크값과 붕소의 검출 피크값의 합계값을 산출하며, 상기 합계값이 합계값의 전체 측정점에서의 최대값의 절반 이하인 측 정점을 결합부 측정점이라고 결정하고, 결합부 측정점의 총수에 대한, 결합부 측정점 중 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점수의 비율이 30% 이하인 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법을 제공한다.
이 밖에도, 질화붕소 및 그 제조 방법에 관한 다양한 기술들이 연구 개발되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 대량 생산이 용이한 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고순도의 육방정계 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 환경친화적인 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 기-액상 계면 반응을 이용한 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 고체 상태의 붕소 소스, 및 고체 상태의 질소 소스를 준비하는 단계, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 혼합하는 단계, 및 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 불활성 기체가 투입된 반응기 내에 넣고 열처리하되, 열처리된 상기 붕소 소스는 용융되어 액체상태가 되고, 열처리된 상기 질소 소스는 기화(evaporation)되어 기체상태가 되고, 액체 상태의 상기 붕소 소스 및 기체 상태의 상기 질소 소스가 기-액상 계면(vapor-liquid phases) 반응을 하여 질화 붕소 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스의 몰 비(mole fraction)에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이가 조절되는 것을 포함
일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체는, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리하는 단계의 온도, 승온 속도(heating rate), 및 온도 유지 시간에 따라 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이가 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체는, 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 상기 질화 붕소 구조체를 용매에 분산시키는 단계, 및 분산된 상기 질화 붕소 구조체를 박리하여 질화 붕소 나노시트, 나노로드(nanorod), 나노와이어 또는 나노파티클을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, 헥산(Hexane), 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), N메틸2피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide), 클로로포름(Chloroform), 증류수(water), 이소프로판올(Isopropanol), 이소부탄올(Isobutanol), 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 및 글리세롤(Glycerol) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 붕소 소스는, 산화붕소(B2O3), 붕산(HBO3), 및 테트라보릭에시드(H2B4O7) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 질소 소스는, 멜라닌(melanin), 피라진(pyrazine), 및 요소(urea) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 고체 상태의 상기 붕소 소스, 및 고체 상태의 상기 질소 소스를 준비하는 단계, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 혼합하는 단계, 및 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 불활성 기체가 투입된 반응기 내에 넣고 열처리하되, 열처리된 상기 붕소 소스는 용융되어 액체상태가 되고, 열처리된 상기 질소 소스는 기화(evaporation)되어 기체상태가 되고, 액체 상태의 상기 붕소 소스 및 기체 상태의 상기 질소 소스가 기-액상 계면(vapor-liquid phases) 반응을 하여 질화 붕소 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이는 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스의 몰 비, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 온도, 승온 속도, 및 온도 유지 시간에 따라 조절될 수 있다.
고체 상태의 상기 붕소 소스 및 고체 상태의 상기 질소 소스로부터 상기 질화 붕소 구조체가 제조됨에 따라, 상기 질화 붕소 구조체를 간단한 장비로 용이하게 제조할 수 있다. 이에 따라, 저비용으로 상기 질화 붕소 구조체를 제조할 수 있고, 용이하게 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체를 제조하는데 암모니아 가스가 사용되지 않아, 친환경적으로 상기 질화 붕소 구조체를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 결정 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 온도에 따른 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 온도 유지 시간에 따른 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 현미경 분석 촬영한 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 두께 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 형광(Photoluminescene, PL) 분석 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 자외선-가시광선 영역 흡광(UV-Vis absorption) 분석 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 나노시트의 UV-DRS spectra를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 결정 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 고체 상태의 붕소 소스, 및 고체 상태의 질소 소스가 준비될 수 있다(S110). 일 실시 예에 따르면, 상기 붕소 소스는, 붕소 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 붕소 소스는, 산화붕소(B2O3), 붕산(HBO3), 및 테트라보릭에시드(H2B4O7) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 질소 소스는, 멜라닌(melanin), 피라진(pyrazine), 및 요소(urea) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스는 혼합될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스의 혼합은, 막자사발 또는 분쇄기를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스는, 다양한 몰 비(mole fraction)로 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스는, 1:10 내지 10:1의 몰 비로 혼합될 수 있다.
혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스는 불활성 기체가 투입된 반응기 내에서 열처리될 수 있다(S130). 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스가 불활성 기체가 투입된 반응기 내에서 열처리되는 단계는, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 용기에 투입 후 상기 반응기 내에 제공하는 단계, 상기 반응기 내에 불활성 가스(예를 들어, 질소(N2) 가스)를 제공하는 단계, 상기 반응기를 가열하는 단계, 및 가열된 상기 반응기의 온도를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 에에 따르면, 상기 용기는, 밀폐된 용기일 수 있다. 예를 들어, 상기 용기는, 뚜껑이 있는 도가니일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응기는, 튜브(tube) 형태일 수 있다.
상기 반응기는 상기 불활성 가스가 제공되어, 잔여 공기가 제거될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 불활성 가스는, 20분의 시간 동안 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 불활성 가스는, 질소 가스(N2) 및 아르곤(Ar) 가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 반응기를 가열하는 단계는, 1℃/min 내지 20℃/min의 승온 속도(heating rate), 및 500℃ 내지 1500℃의 온도에서 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 반응기의 온도를 유지하는 단계는, 30분 내지 24시간의 시간 동안 수행될 수 있다.
열처리된 상기 붕소 소스는 용융되어 액체상태가 될 수 있다. 열처리된 상기 질소 소스는 기화(evaporation)되어 기체상태가 될 수 있다. 액체상태의 상기 붕소 소스 및 기체상태의 상기 질소 소스는 기-액상 계면(vapor-liquid phases)반응을 할 수 있다.
보다 구체적으로, 고체 상태의 상기 붕소 소스는, 열처리되어 액체상태가 될 수 있다. 고체 상태의 상기 질소 소스는, 열처리되어 기체상태가 될 수 있다. 열처리된 액체상태의 상기 붕소 소스 및 열처리된 기체상태의 상기 질소 소스는, 액체상태의 상기 붕소 소스 내부에서 기체상태의 상기 질소 소스가 반응할 수 있다. 이때, 액체상태의 상기 붕소 소스의 내부는, 액체상태의 상기 붕소 소스 와 기체 상태의 질소 소스의 경계면인 기-액상 계면일 수 있다.
도 2를 참조하면, 액체상태의 상기 붕소 소스 및 기체상태의 상기 질소 소스는 기-액상 계면반응이 수행되어 질화 붕소 구조체가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체는, 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 가질 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체는, 가로와 세로 0~1000 및 너비와 두께 0~10000의 종횡비(aspect ratio)를 포함할 수 있다.
상기 질화 붕소 구조체가 제조되는 단계는, 상기 질화 붕소 구조체를 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체를 냉각하는 단계는, 상온(예를 들어, 25℃)에서 수행될 수 있다.
상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이는 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스의 몰 비에 따라 조절될 수 있다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이는 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 온도, 승온 속도, 및 온도 유지 시간에 따라 조절될 수 있다.
구체적으로, 일 실시 예에 따르면, 상기 붕소 소스 대비 질소 소스의 비율이 증가할수록, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비가 감소할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 열처리 온도가 증가할수록, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도가 증가하고, 밴드갭이 증가할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 승온 속도가 증가할수록 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도가 증가할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 온도 유지 시간이 증가할수록, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도가 증가하고, 밴드갭이 증가할 수 있다.
상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 상기 질화 붕소 구조체를 용매에 분산시키는 단계, 및 분산된 상기 질화 붕소 구조체를 박리하여 질화 붕소 나노시트(nanosheet), 나노로드(nanorod), 나노와이어(nanowire), 또는 나노파티클(nanoparticle)을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, 유기용매 또는 무기용매일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 헥산(Hexane), 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), N메틸2피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide), 클로로포름(Chloroform), 증류수(water), 이소프로판올(Isopropanol), 이소부탄올(Isobutanol), 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 및 글리세롤(Glycerol) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 분산된 상기 질화 붕소 구조체를 박리하는 단계는, shear mixer를 이용하여 수행될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 분산된 상기 질화 붕소 구조체를 박리하는 단계는, 4000rpm의 속도로 15분의 시간 동안 수행될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예와 달리, 고체상태의 상기 붕소 소스 및 고체상태의 상기 질소 소스가 준비되지 않는 경우, 상기 질화 붕소 구조체를 제조하는데 복잡한 장비들이 필요하게 된다. 이에 따라, 상기 질화 붕소 구조체를 제조하는데 고비용이 지출되고, 대량생산이 용이하지 않게 되는 문제점이 발생한다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체를 제조하는데 암모니아 가스가 사용되는 경우, 환경적인 문제가 발생하게 된다.
하지만, 상술된 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 질화 붕소 구조체의 제조 방법은, 고체 상태의 상기 붕소 소스, 및 고체 상태의 상기 질소 소스를 준비하는 단계, 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 혼합하는 단계, 및 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 불활성 기체가 투입된 반응기 내에 넣고 열처리하되, 열처리된 상기 붕소 소스는 용융되어 액체상태가 되고, 열처리된 상기 질소 소스는 기화(evaporation)되어 기체상태가 되고, 액체 상태의 상기 붕소 소스 및 기체 상태의 상기 질소 소스가 기-액상 계면(vapor-liquid phases) 반응을 하여 질화 붕소 구조체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
고체 상태의 상기 붕소 소스 및 고체 상태의 상기 질소 소스로부터 상기 질화 붕소 구조체가 제조됨에 따라, 상기 질화 붕소 구조체를 간단한 장비로 용이하게 제조할 수 있다. 이에 따라, 저비용으로 상기 질화 붕소 구조체를 제조할 수 있고, 용이하게 대량 생산이 가능하다는 장점이 있다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체를 제조하는데 암모니아 가스가 사용되지 않아, 친환경적으로 상기 질화 붕소 구조체를 제조할 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체 및 육방정계 질화 붕소 나노시트의 구체적인 실험 제조 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
고체 상태의 붕소 소스 및 고체 상태의 질소 소스가 준비된다. 상기 붕소 소스는 산화 붕소(B2O3)를 사용하였다. 상기 질소 소스는 멜라민을 사용하였다. 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 막자사발을 통하여 균일하게 혼합한 후 뚜껑이 있는 도가니에 담아 튜브형 반응기 내에 투입했다.
이후, 상기 반응기 내에 불활성 가스를 20분의 시간 동안 제공하여 잔여 공기를 제거하고, 상압(1atm)으로 질소 가스를 공급하였다. 질소 가스가 공급된 상기 반응기는, 10℃/min의 승온 속도로 1200℃의 온도까지 가열하고, 상기 1200℃의 온도를 1시간 동안 유지하여 질화 붕소 구조체를 제조하였다. 상기 질화 붕소 구조체는 상온에서 냉각 시켰다.
제조된 상기 질화 붕소 구조체를 이소부탄올(isobutanol) 용매에 분산시켰다. 분산된 상기 질화 붕소 구조체를 4000rpm의 속도로 15분 동안 shear mixer를 이용하여 박리시켜 육방정계 질화 붕소 나노시트를 제조하였다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 촬영한 사진이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 준비하되, 상기 붕소 소스와 상기 질소 소스의 몰 비를 1:10으로 제조하고, SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영하였다. 도 3의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 육각형의 층상구조로 적층되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 가로 세로 1:1, 너비와 두께가 4:1의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 3의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 준비하되, 상기 붕소 소스와 상기 질소 소스의 몰 비를 10:1로 제조하고, SEM 촬영하였다. 도 3의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 가로 세로 10:1, 너비와 두께가 50:1의 종횡비를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 상기 붕소 소스와 상기 질소 소스의 몰 비에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비가 조절되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 붕소 소스 대비 질소 소스의 몰비가 증가함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비는 감소할 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 준비하되, 1℃/min의 승온 속도로 900℃의 온도까지 열처리 한 뒤, 900℃의 온도를 2시간 동안 유지하여 제조하고, 저배율 및 고배율로 SEM 촬영하였다. 도 4의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 가로 세로 1:1.5, 너비와 두께가 10:1의 종횡비를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 온도, 승온 속도, 및 온도 유지 시간에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비가 조절되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 온도가 증가함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비는 증가할 수 있다. 또한, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 승온 속도가 증가함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비는 증가할 수 있다. 또한, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리 하는 단계의 온도 유지 시간이 증가함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 종횡비는 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 촬영한 사진이다.
도 5를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 SEM 촬영하였다. 도 5에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 0.34nm의 격자 상수를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 육방정계 질화붕소(JCPDS No. 01-079-6757)의 (002)면에 해당하는 격자 상수임을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 온도에 따른 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 준비하되, 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃, 및 1300℃의 온도로 제조하고, 각각의 온도로 제조된 질화 붕소 구조체에 대해서, 2θ(degree)에 따른 relative intensity(a.u.)를 측정하였다. 도 6에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 온도가 상승함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도(crystallinity)가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체는, JCPDS No. 01-079-6757에 해당하고, 주로 (002) 방향으로 배향되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체의 제조 온도 유지 시간에 따른 X선 회절패턴을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체를 준비하되, 1200℃의 온도를 70분, 90분, 및 120분의 시간 동안 유지하고, 각각의 온도 유지 시간으로 제조된 질화 붕소 구조체에 대해서, 2θ(degree)에 따른 relative intensity(a.u.)를 측정하였다. 도 7에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 구조체는, 온도 유지 시간이 상승함에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 질화 붕소 구조체는, JCPDS No. 01-079-6757에 해당하고, 주로 (002) 방향으로 배향되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 현미경 분석 촬영한 사진이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트를 원자힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM) 분석 촬영 하고, 일 부분에 대해 확대하여 나타내었다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 두께 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 두께(nm)에 따른 Fraction(%)을 측정하였다. 도 9a에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 35nm 전후의 두께로 제조되었음을 확인할 수 있었다.
도 9b를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 width(μm)에 따른 두께(nm)를 측정하였다. 도 9b에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 0.8 μm 내지 1.2 μm의 width에서 30nm 내지 65nm의 두께로 제조되었음을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 형광(Photoluminescene, PL) 분석 그래프이다.
도 10을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 wavelength(nm)에 따른 relative intensity(a.u.)를 측정하였다. 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 300nm의 wavelength 에서 가장 높은 relative intensity가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 자외선-가시광선 영역 흡광(UV-Vis absorption) 분석 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트의 wavelength(nm)에 따른 absorbance를 측정하였다. 도 11에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 254nm의 wavelength에서 자외선-가시광선 영역의 흡수 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예에 따른 육방정계 질화 붕소 나노시트는, 4.88eV의 밴드갭(bandgap)을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 육방정계 질화붕소 나노시트는, 4 내지 6 eV의 밴드갭을 갖는 육방정계 질화붕소에 해당하는 것을 알 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 실시 예에 따른 질화 붕소 나노시트의 UV-DRS spectra를 나타내는 그래프이다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 나노시트를 준비하되, (a) 900℃, (b) 1000℃, (c) 1100℃, (d) 1200℃, 및 (e) 1300℃의 온도로 제조하고, 각각의 온도로 제조된 질화 붕소 나노시트에 대해서, Energy(eV)에 따른 Kubelka-Munk(k/s)를 측정하고, 4 eV 내지 6eV 범위에 대해 확대하여 나타내었다.
도 12a 및 도 12b에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 나노시트는, (a) 900℃의 온도로 제조한 경우 4.00eV의 밴드갭을 갖고, (b) 1000℃의 온도로 제조한 경우 4.03eV의 밴드갭을 갖고, (c) 1100℃의 온도로 제조한 경우 4.02eV의 밴드갭을 갖고, (d) 1200℃의 온도로 제조한 경우 5.51eV의 밴드갭을 갖고, (e) 1300℃의 온도로 제조한 경우 5.86eV의 밴드갭을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 질화 붕소 나노시트는, 1100℃의 온도에서 1200℃의 온도로 제조 온도가 변화되어 제작된 경우, 가장 큰 밴드갭의 변화를 나타내는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 고체 상태의 붕소 소스, 및 고체 상태의 질소 소스를 준비하는 단계;
    상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 혼합하는 단계; 및
    혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 불활성 기체가 투입된 반응기 내에 넣고, 상기 붕소 소스의 녹는점 초과 및 상기 붕소 소스의 끓는점 미만의 온도에서 열처리하되, 열처리된 상기 붕소 소스는 용융되어 액체상태가 되고, 열처리된 상기 질소 소스는 기화(evaporation)되어 기체상태가 되고, 액체 상태의 상기 붕소 소스 및 기체 상태의 상기 질소 소스가 기-액상 계면(vapor-liquid phases) 반응을 하여 질화 붕소 구조체를 제조하는 단계를 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스의 몰 비(mole fraction)에 따라, 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이가 조절되는 것을 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 질화 붕소 구조체는, 혼합된 상기 붕소 소스 및 상기 질소 소스를 열처리하는 단계의 온도, 승온 속도(heating rate), 및 온도 유지 시간에 따라 상기 질화 붕소 구조체의 결정화도, 크기, 및 넓이가 조절되는 것을 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 질화 붕소 구조체는, 육방정계(hexagonal) 결정 구조를 갖는 것을 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 질화 붕소 구조체를 용매에 분산시키는 단계; 및
    분산된 상기 질화 붕소 구조체를 박리하여 질화 붕소 나노시트, 나노로드(nanorod), 나노와이어 또는 나노파티클을 제조하는 단계를 더 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 용매는, 헥산(Hexane), 아세톤(Acetone), 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone), 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran), N메틸2피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), 디메틸포름아미드(Dimethyl formamide), 클로로포름(Chloroform), 증류수(water), 이소프로판올(Isopropanol), 이소부탄올(Isobutanol), 에탄올(Ethanol), 메탄올(Methanol), 에틸렌글리콜(Ethylene glycol), 및 글리세롤(Glycerol) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 붕소 소스는, 산화붕소(B2O3), 붕산(HBO3), 및 테트라보릭에시드(H2B4O7) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 질소 소스는, 멜라닌(melanin), 피라진(pyrazine), 및 요소(urea) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 질화 붕소 구조체의 제조 방법.

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