여러 겹 쌓아도 전자 특성 유지하는 차세대 2차원 소재 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박선아 교수 연구팀이 미국 오리건대학교 크리스토퍼 헨든 교수와 공동연구를 통해 층간 간섭은 최소화하면서도 높은 전기전도도를 유지하는 새로운 2차원 전도성 금속-유기 골격체(MOF)를 개발했다고 8일 밝혔다.

2차원 소재는 원자 수준으로 얇아 전자가 빠르게 이동할 수 있어 차세대 반도체와 양자소재의 유력 후보로 꼽힌다. 그러나 단일층 상태에서는 뛰어난 성능을 보이지만 실제 소재처럼 여러 층이 겹겹이 쌓인 벌크(bulk) 상태에서는 본래의 전자적 특성이 약해지는 한계가 있었다.

연구팀은 문제를 해결하기 위해 층과 층이 서로 직접 간섭하지 않도록 각도에 주목했다. 새롭게 설계한 분자 구조는 여러 층이 쌓여도 각 층이 일정한 각도로 배열되도록 해 면과 면이 직접 맞닿는 것을 최소화했다.

이는 여러 장의 카드를 완전히 포개지 않고 살짝 비틀어 쌓아 서로 달라붙지 않도록 하는 것과 비슷한 원리다. 그 결과 층간 상호작용이 줄어들고 전자가 보다 원활하게 이동할 수 있게 됐다. 연구팀은 이러한 구조를 구현하기 위해 트립티센(Triptycene) 기반 분자를 설계하고 이를 이용해 새로운 2차원 전도성 MOF 소재를 합성했다.

연구팀이 개발한 새로운 물질 Ni3(HITrip)2는 여러 층이 쌓인 상태에서도 단일층과 유사한 전자 구조를 유지하는 것으로 나타났다. 특히 전자가 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 특수한 전자 구조를 그대로 보존했다.

연구팀은 계산과 분광 분석을 통해 전기가 잘 흐르는 이유도 밝혀냈다. 소재 내부에서 분자와 금속 원자가 서로 협력해 전자의 이동을 돕고, 전자가 안정적으로 이동할 수 있는 환경을 만든다는 사실을 확인했다. 이를 통해 높은 전기전도도가 나타나는 원리도 규명했다.

이번 연구는 '쌓이면 성능이 떨어진다'는 2차원 소재의 오랜 난제를 해결했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.

연구진은 이번 성과가 향후 고성능 전자소자와 차세대 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대하고 있다. 또 양자소재와 위상물질 연구에도 새로운 가능성을 제시해 미래 반도체와 양자정보 기술 개발에 기여할 것으로 보고 있다.

박 교수는 "기존에는 단일층에서만 가능하다고 여겨졌던 2차원 전자 구조를 벌크 물질에서도 구현할 수 있음을 보여준 연구"라며 "층간 상호작용을 정밀하게 제어하면 다양한 양자 물성과 전자 특성을 실제 소재에서 구현할 수 있는 새로운 길이 열릴 것"이라고 말했다.

연구진은 향후 전도성 다공성 소재를 활용하는 센서나 에너지 저장 분야에서 활용 가능성을 검토할 계획이다. 단일층 또는 수층 수준으로 박리해 차세대 전자소자와 양자소재 플랫폼으로 응용하는 게 목표다.

KAIST 박근찬 석박통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.

연구는 한국 연구재단 기초연구사업 및 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr