붕소와 질소가 도핑된 CVD 그래핀 합성 및 물성 연구 = Synthesis and Property Investigation of Boron and Nitrogen-co-Doped Graphene via CVD

국문 초록 (Abstract)

나노소재 분야는 지난 수십 년 동안 급격한 발전을 거듭하며 다양한 산 업 분야에 혁신을 일으켰다. 그중 탄소 기반 나노소재인 그래핀, 탄소 나노 튜브(CNT), 풀러렌 등은 전 세계 연구자들에 의해 주목받으며 다양한 응용 가능성을 제시하였다. 특히 그래핀은 뛰어난 전기적 특성과 기계적 강도, 열 전도성을 바탕으로 전자소자, 에너지 저장 장치, 센서 등 여러 분야에서 각광받고 있다. 그러나 그래핀은 본래 전기적 특성 제어가 어렵고, 특정 응 용에 맞춘 성능 조정에 한계가 있어 이를 개선하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 도핑이 제시되었으며, 특히 붕소 (B)와 질소 (N)를 공동 도핑하는 방법은 그래핀의 전도도 및 밴드갭을 조절할 수 있어 응용 가능성을 크게 확장시킬 수 있다. 첫 번째 연구에서는 단일 유기 전구체를 사용하여 단일 스텝 화학기상 증착(CVD) 방법으로 B, N이 동시 도핑된 그래핀을 합성하는 방법을 제시 한다. 그래핀은 2D 소재로서 그 뛰어난 전기적 특성, 기계적 강도, 열전도 성을 가지고 있지만, 기존 합성 방법에서는 그래핀의 밴드갭 제어와 같은 전자적 특성의 조정이 어렵다는 문제가 있었다. 특히 B와 N 공동 도핑은 그래핀의 밴드갭을 개방하고 전자적 성질을 향상시키는 데 유리한 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 단일 유기 전구체를 활용하여 저온에서 효율적 인 CVD 합성을 통해 B, N 공동 도핑 그래핀을 합성하고, 그 전자적 특성 에 미치는 영향을 최적화하는 연구를 진행한다. 또한, 도핑된 그래핀의 밴 드갭을 조절하여 B, N 공동 도핑 그래핀의 전자적 특성을 최적화하여 GFET 기반 바이오센서 응용에 대한 가능성을 제시하였다. GFET(Graphene Field-Effect Transistor)는 그래핀을 기반으로 하여 전기 적 특성을 민감하게 변환할 수 있는 특성을 가지고 있으며, 바이오센서로서 의 활용도가 매우 높다. 그래핀은 높은 전자 이동도와 탁월한 표면적을 제 공하여 전기화학적 반응에 민감하게 반응하며, 이를 통해 생화학적 분석에 서 뛰어난 성능을 발휘한다. 그러나 그래핀의 전자적 특성은 제어가 어려운 점이 있었고, 이를 개선하기 위해 B, N 공동 도핑을 통해 밴드갭 조정과 전 자적 특성 최적화를 시도하였다. 특히, B, N 도핑을 통해 그래핀의 전자구조를 제어함으로써, 특정 생체분자 와의 상호작용을 촉진시키고, 그로 인해 민감도와 정확도가 향상된다. 예를 들어, DNA, 단백질과 같은 생체분자의 검출을 위한 GFET 기반 바이오센서 에서는 빠른 반응 시간과 높은 정확도를 제공할 수 있다. 본 연구에서는 GFET 바이오센서의 센서 검출한계를 B, N 도핑을 통해 개 선하였으며, 생화학적 반응을 더욱 민감하게 감지할 수 있는 고감도 바이오 센서를 구현하였다. 또한, B, N 도핑을 통해 그래핀의 화학적 안정성과 내구성이 향상되어, 장기 적인 측정과 배경 신호 제어에 유리하다. 따라서, 본 연구는 B, N 도핑 그래핀을 GFET 기반 바이오센서에 적용하여 감도, 선택성, 반응 속도 등의 성능 향상을 달성한 사례로, 차세대 바이오센 서 및 스마트 센서 기술 발전에 기여할 수 있는 중요한 연구 결과를 제시하 였다. 두 번째 연구에서는 B와 O가 포함된 유기 전구체를 사용하여 그래핀을 합성하는 방법을 다룬다. 그래핀의 전자적 특성을 B, N 도핑을 통해 변화시 키는 것 외에도, 산소 도핑과 같은 다른 이종 원소를 도입하여 성능을 개선 하려는 연구는 상대적으로 적다. 본 연구에서는 B, O 도핑 그래핀을 합성하 여 그 전기적 및 화학적 반응성을 향상시키는 방법을 모색한다. B, O 도핑 은 그래핀의 전자구조를 변화시키고, 표면 특성을 조절하여 반응성을 높이 는 데 유리한 방법으로 알려져 있다. 본 연구에서는 B, O가 포함된 유기 전 구체를 사용하여 그래핀의 구조적 변화와 전자적 특성 조정을 실현하였으 며, 이를 통해 새로운 합성 경로를 제시하고자 한다. B, O 도핑을 통해 기존 그래핀의 특성을 더욱 개선하고, 전자적 응용 분야에서의 활용 가능성을 제 시할 수 있었다. 또한, 이 연구는 B, O 도핑 그래핀이 다양한 전자기기 및 센서에서 기계적 특성과 화학적 반응성을 동시에 개선할 수 있음을 보여준 다. 나노소재 분야에서 탄소 기반 나노소재는 그 특성과 가능성 덕분에 응 용 가능성이 매우 높다. 특히, 그래핀은 전 세계적으로 2D 물질의 대표적인 소재로 자리잡고 있으며, B, N 도핑을 통해 전도도와 밴드갭을 제어하는 연 구가 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 단일 유기 전구체를 통한 그 래핀 합성의 효율성과 비용 절감을 제시하고, 도핑된 그래핀이 전기적 특성 과 응용 가능성에서 큰 장점을 제공할 수 있음을 보여준다. 이는 탄소 기반 나노소재의 연구에서 중요한 진전을 이루며, 응용 분야에서 새로운 가능성 을 제시할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• I. 도입 1
• 1. 그래핀(Graphene) 1
• 2. 그래핀의 화학 기상 증착 합성 5
• 3. 도핑 8
• 4. 공동 도핑 9
• II. 실험 11
• 1. 시료 및 시약 11
• 2. 실험 방법 11
• 1) Cu foil의 환원 11
• 2) B,N 공동 도핑된 그래핀의 합성 12
• 3) 분석 장치 14
• III. 결과 및 토론 15
• 1. B,N 공동 도핑 그래핀 샘플 준비 및 Raman 분석 15
• 2. B,N 공동 도핑 그래핀의 XPS 및 결합 상태 분석 23
• 3. Cs-STEM, EELS 분석을 통한 B,N 공동 도핑 그래핀의 미세 구조 규명 30
• 4. B,N 공동 도핑 그래핀의 응용 41
• Part2. B,O가 포함된 분자 전구체를 이용한 CVD 그래핀 합성 연구 48
• I. 도입 48
• 1. B,O를 포함한 분자 전구체 기반 그래핀 합성 48
• II. 실험 50
• 1. 시료 및 시약 50
• 2. 실험 방법 50
• 1) Cu foil의 환원 50
• 2) B,O가 포함된 분자 전구체를 이용한 그래핀의 합성 51
• 3) 분석 장치 53
• III. 결과 및 토론 54
• 1. B,O가 포함된 분자 전구체를 이용한 그래핀의 라만 분광학적 분석 54
• 2. HRTEM 분석을 통한 B,O가 포함된 분자 전구체를 이용한 그래핀의 구조 분석 57
• 3. B,O가 포함된 분자 전구체를 이용한 그래핀의 XPS 분석을 통한 화학 결합 분석 63
• IV. 결론 67
• V. 참조 69
• VI. ABSTRACT 81