Boron nitride (BN) low-dimensional materials are among the most promising inorganic nanosystems explored so far. It closely resembles elemental carbon structures by sharing the same total number of electrons between the neighboring atoms. Boron nitride has various dimensional forms (i.e. BN fullerenes, BN nanotubes, and BN nanosheets) and low density ($2.1 g/cm^{3}$), high mechanical strength (Modulus: 800-850 GPa), superior thermal (stable up to 1000°C under atmospheric condition) and chemical stabilities, and intrinsic electrical insulation when it is in the form of atomically few layers. In spite of these advantages, the applications of BN nanosheets are still limited due to their high surface area of BN nanosheets and strong van der Waals interaction between them causes irreversible aggregation. In addition, the exfoliation of h-BN can be achieved mechanically on a small scale, synthesis by deposition techniques on substrates, limiting their large scale production. Simple and scalable exfoliation methods are required for many applications.
In this research, we developed fabrication process of two-dimensional hexagonal boron nitride nanosheets (BNNSs) and their polymer nanocomposites. Simple and scalable exfoliation methods are designed for many applications such as novel hybrid and nanocomposite materials. However, high surface area of BNNSs and strong van der Waals interaction between them cause irreversible aggregation restricting their applications. This problem was addressed by noncovalent functionalization chemical modification. Noncovalently functionalized BNNSs facilitate manipulation via various processes that involve mixing, blending, and/or dispersion in a polymer matrix. The influence of surface modification on the properties of BNNS reinforced polymer nanocomposites was investigated.
The new concept of fabricating heterostructure film by graphene and BNNSs using a simple wet chemistry route is demonstrated. The alternatively stacked heterostructure film of graphene and BNNSs is prepared by mixing the BNNSs dispersion with that of graphene. In order to alternative stacking of two materials, the BNNSs and graphene are surface modified with different charge. This approach allows for the formation of different heterostructures built from 2D building blocks of various compositions alternatively assembled via a simple chemical route. It is promising that these alternatively stacked heterostructure film could have fascinating properties due to the large number of interfaces between electronically dissimilar, flat, atomic layers bound.
2차원 나노재료는 일정한 평면형태를 가지며 두께가 원자 한층 또는 몇 층으로 이루어진 소재로써 화학, 재료 분야의 연구가 가장 활발한 연구 분야 중 하나로 손꼽히고 있으며, 전자, 기계 및 생명공학 분야로의 접목을 통하여 연구 주제가 다변화되고 있는 분야이다. 2차원 재료는 3차원 재료와는 매우 다른 전기적 및 기계적 특성을 가지고 있기 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 가장 잘 알려진 2차원 재료는 그래핀과 육방정 질화붕소, 전이금속 디칼코게나이드 (dichalcogenide)이다. 이중에서 육방정 질화붕소는 BN의 화학식을 가지고, 보론 원자와 질소 원자가 평면 2차원 육각형 구조를 이루고 있으며, 흑연과 비슷한 육방정계 구조를 갖고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 비슷하여, 물리적, 화학적 안정성이 높은 물질이다. 많은 장점에도 불구하고, 육방정 질화붕소 나노시트에 대한 연구 및 응용이 제한적이며, 이것은 질화붕소 나노시트의 제조공정이 어렵고, 반데르발스 힘에 의한 질화붕소 나노시트의 응집에 의해 질화붕소 나노시트가 가진 고유한 특성을 발휘하기 어렵기 때문이다.
본 연구에서는 질화붕소 나노시트의 우수한 물리적, 화학적 특성을 활용하기 위해 질화붕소 나노시트의 기능기화 공정을 연구하고 이를 이용하여 다양한 고분자 기지 내에 균일하게 분산된 질화붕소 나노시트/고분자 복합재료를 제조하고 특성평가를 진행하였다. 또한 질화붕소 나노시트의 응용을 제한하는 제조공정 문제를 해결하기 위해 대량생산이 가능한 공정을 개발하고, 이를 이용하여 2차원 나노소재가 교대로 적층된 다층구조체를 제조하고 물리적 특성을 평가하였다.
첫 번째로, 본 연구에서는 비공유 기능기화를 통해 질화붕소 나노시트의 기지 내 분산 문제 및 기능기화 공정 중 질화붕소 나노시트의 손상을 최소화하여, 높은 기계적 특성 및 열전도도를 동시에 가지는 에폭시 나노복합재료를 제조하였다. 0.3 wt.% 질화붕소 나노시트가 분산된 에폭시 나노복합재료의 경우 탄성계수 및 인장강도가 각가 21% 와54%가 향상되었으며, 인성은 107% 가 향상된 결과를 나타내었다. 이는 에폭시 기지와 결합력이 우수한 기능기를 도입하여 분산성 및 기지와의 결합력을 향상시켰기 때문이다.
두 번째로, 본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지의 문제점인 장기 구동 문제를 해결하기 위해, 기계적 특성 및 화학적 안정성이 우수한 질화붕소 나노시트를 이용하여 고분자 전해질 막의 기계적 성질을 향상시켜 고분자 전해질 연료전지용 막의 장기성능 향상을 위한 연구를 진행하였다. 술폰산 ($SO_3^{-}$) 기능기를 가진 화합물을 이용한 질화붕소 나노시트의 비공유 기능기화를 통해 고분자 전해질이 가지고 있는 술폰산 그룹과의 반발력으로 인해 전해질 내에서 분산성을 향상 시킬 수 있으며, 고분자 전해질의 수소 전도도를 저해하지 않을 수 있다. 제조된 수소이온 전도성 복합막은 기계적 특성이 향상되어 1000 사이클(cycle) 이후에도 전해질 막 성능이 유지되어 장기 구동 성능이 두 배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
마지막으로 질화붕소 나노시트의 응용을 제한하는 제조공정 문제를 해결하기 위해 쉽고 대량생산이 가능한 질화붕소 나노시트 제조공정을 개발하고 이를 이용하여 고분자 복합재료 배리어 필름 및 2차원 소재(그래핀, 질화붕소 나노시트)가 융합된 다층구조체를 제조하였다. 제안된 공정은 수산화물 이온을 이용한 볼 밀링 공정으로, 화학적 박리 및 기계적 박리의 시너지 효과를 통해 수 마이크로 미터의 질화붕소 나노시트를 높은 수율로 제조할 수 있었다. 제조된 질화붕소 나노시트를 이용하여 질화붕소 나노시트가 분산된 폴리에틸렌(polyethylene) 배리어 필름을 제조하고 특성을 평가한 결과 탄성계수는 약 125%, 투습성은 약 50%가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 2차원 나노구조를 갖는 그래핀과 질화붕소 나노시트를 교대로 적층한 다층 구조체를 용액 내에서 층상 자기조립 (layer-by-layer self-assembly) 방법을 통해 제조하고 2차원 소재의 물리화학적 특성의 변화를 관찰하였다.
이상의 연구결과들은 향후 육방정 질화 붕소 나노시트의 제조 공정 확립 및 응용 분야를 넓히는 데 기준을 제시해 줄 수 있을 것으로 기대된다.
