흑린

흑린(黑燐, Black Phosphorus, BP)은 빛을 내는 신비한 물질로 처음 발견된 원자번호 15번 인(P) 원자로 만들어진 검은 빛깔의 신소재이다. 그래핀처럼 두께는 0.2~1㎚로 얇으며 겉보기에 검은색을 띠고 있다. 흑린은 인(P) 원자가 주름진 벌집 모양으로 배열된 물질이다. 성냥에 사용하는 적린(red phosphorus), 폭약에 사용하는 백린(white phosphorus)과 달리 매우 안정된 물질이다.

흑린은 독특한 원자 배열을 가진 인(P) 원소만으로 이뤄진 물질이다. 높은 전기전도도를 가져 신의 물질이라 불리는 그래핀과 유사하다. 흑린은 그래핀과 마찬가지로 2차원 박리가 가능하며 전기적‧광학적 성질이 매우 우수하다. 전류 제어가 어려운 그래핀과 달리 전기전동성을 결정하는 에너지 준위 차인 밴드갭을 조절해 전류 제어가 가능해 전자소자 제작이 용이하다는 장점도 있다. 하지만 공기 중 산소와 수분에 취약한 불안정성으로 인해 물성연구와 응용에 어려움이 있었다. 흑린을 얇은 물질로 감싸 공기 중에서 반응이 일어나지 않게 하는데 성공함으로써 반도체 활용 가능성이 확인됐다.

포스포린

포스포린(Phosphorene)은 흑린의 일종이다. 흑린은 검은색 인(P)이 2차원으로 결합돼 있는 물질인데, 그래핀처럼 두께는 0.2~1㎚로 얇으며 겉보기에 검은색을 띠고 있다. 흑린은 일반적으로 사용하는 흑연에 비해 7배 정도의 전기용량을 가지고 있는데다 2차원 포스포린 나노 구조로 제조하면 특이한 물리적 성질을 보이는 신소재이다.

포스포린은 흑린의 일종이면서도 흑린의 문제점을 보완할 수 있는 물질이다. 흑린을 원자 한 층 두께로 떼어내면 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준으로 얇아지는데 이것이 바로 포스포린이다. 그래핀과 원자 배열은 비슷하지만, 에너지 준위에 차이가 있어 전류를 제어하기 쉽다는 특징이 있다. 때문에 '꿈의 신소재'라는 별칭으로 불리고 있다.

실제로 포스포린을 전극 소재로 이용하자 상용 활성탄보다 용량이 4배나 커졌다. 또 고속 충·방전 시에도 충전 대비 방전 용량이 99.6%로 유지되는 우수한 성능을 보였고, 5만 회나 충·방전해도 약 91%의 용량을 유지했다. 배터리 소재로만 알려졌던 흑린의 원리를 규명하고, 흑린이 달성할 수 없었던 고효율·고출력·고안정성을 보여줬다. 포스포린은 차세대 전자기기, 전기자동차, 신재생에너지 저장 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

활용

고성능 반도체

현재 실리콘을 이용한 반도체는 산업계 전반적으로 사용되고 있는 전자소자이다. 실리콘이 지닌 물성에는 한계가 존재하여, 디바이스 성능을 향상시키기 위해서 세계적으로 신소재 물질에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 만일 흑린의 한 층을 떼어 만든 신소재 물질인 포스포린을 반도체를 만드는데 이용하면, 밴드갭의 간격을 조절할 수 있다는 장점이 존재한다. 전자의 전도성도 기존의 반도체보다 수십~수백 배 뛰어나기 때문에 고성능 반도체를 만드는데 적합하다. 흑린을 이용한 고성능 반도체가 등장한다면 LED 산업이나 태양전지, 휘는 디스플레이 등 다양한 분야에 응용이 가능하기 때문에 산업계의 큰 지각 변동을 일으킬 것으로 예상된다

2차전지

2차전지는 유럽, 미국 등의 주요 국가에서 친환경 자동차의 성장과 함께 많은 관심을 받고 있는 분야이다. 현재는 리튬을 이용한 2차전지가 주로 이용되고 있으며, 효율을 높이기 위해서 리튬을 대체할 물질을 찾는 것을 중요한 이슈로 다뤄지고 있다. 미래창조과학부에서 발표한 자료에 따르면, 미국에서 연수중인 우리나라 연구원이 2015년에 흑린을 이용한 나트륨 2차전지 음극물질 개발에 성공했다는 소식을 밝혔다. 여기서 나트륨 2차전지는 리튬 2차전지와 원리는 비슷하지만 매장량이 풍부하여 차세대 전지로 주목 받고 있다. 개발 원리는 흑린과 그래핀의 각 층을 여러 겹으로 겹쳐서 나트륨 이온이 반응하기 좋은 구조를 형성한 것을 이용하였다. 이번 연구로 기존에 사용중인 탄소를 이용한 나트륨 이차전지보다 대략 8배 이상 향상된 용량을 갖고 있다는 것이 확인되었다. 특히 이번 연구를 통해서 전압, 용량, 수명 등 나트륨 이차전지 기술 발전에 큰 기여를 하였다. 앞으로 전기 자동차와 휴대폰 등 여러 전자 제품에 널리 이용되어, 빠른 시일 내로 상용화될 수 있을 것으로 예상된다.

친환경 광촉매

광촉매는 빛을 받아 화학반응을 촉진시키는 물질을 말한다. 유해 물질을 분해하는 특성을 갖고 있어 친환경 물질로 여겨지고 있다. 대표적인 예로는 산화타이타늄(TiO₂)이 있으며 주로 자외선에 반응하는 특징을 갖고 있다. 흑린의 경우 물질에 입사되는 빛의 에너지 세기에 따라 전자의 흐름이 달라지는 광전기적 성질이 우수하다는 성질을 갖고 있다. 2015년에 국내 한 연구팀이 이러한 점을 이용해서 흑린과 산화타이타늄을 이용하여 친환경 광촉매 재료로 사용될 수 있다는 연구 결과를 발표하였다. 하지만 앞서 언급한 것처럼 흑린은 공기와 반응하는 속도가 빠르기 때문에 불안정하다는 단점이 존재하였다. 이를 극복하기 위해 초음파 처리 및 간단한 화학적 박리법으로 몇 개의 흑린 층을 얻을 수 있었다고 한다. 그리고 광촉매 재료로 이용될 경우 자외선뿐만 아니라 가시 광선에서의 촉매 활성도를 높힐 수 있다는 장점이 있는다. 하지만 광촉매는 아직 널리 알려진 물질이 아니기 때문에 앞으로도 많은 연구가 필요한 분야이다.

참고자료

• 문현식, 〈포스포린, 차세대 E 저장 장치 소재 주목〉, 《이웃집과학자》, 2018-12-12
• 김용훈 기자, 〈Creative and Smart! LG CNS :: 차세대 신소재의 다크호스 ‘흑린(Black Phosphorus)’〉, 《LG CNS 블로그》, 2016-04-20

같이 보기

• 그래핀
• 실리콘

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