국내 연구진과 일본 동경공업대 교수팀이 세계 최초로 음이온 역할을 하는 전자로만 이뤄진 층(Layer)을 포함해 형성된 `2차원 전자화물` 개발에 성공했다. 최근 급부상한 그래핀과 함께 제 2의 꿈의 신소재로 새로운 양자 물질·물성 연구의 장을 열었다는 평가다.
성균관대 김성웅 교수와 일본 동경공업대 히데오 호소노 교수 연구팀, 동경공업대 이기문 박사후연구원이 제1저자로 진행한 이번 연구는 31일 네이처 온라인판에 게재됐다.
기존 h-BN 및 MoS2 등 층상구조물질과 구조적으로 비슷하지만 층내가 아닌 층상간 공간에 전자로만 이뤄진 층을 이용한 전자 이동경로로 새로운 층상구조물질인 2차원 전자화물의 개발에 세계 최초로 성공했다.
최근 새로운 전자소재로 주목받고 있는 전자화물은 양이온과 음이온으로 이뤄진 이온결정성 물질에서 전자만으로 음이온을 대체해 양이온과 전자만으로 이뤄진 물질을 말한다. 전자화물 내부의 음이온 전자는 원자궤도가 아닌 구조적 공간에 존재하고 있는 것이 특징이며, 이로 인해 일함수(workfunction)가 낮아 전극소재 및 전자방출소재로 응용이 기대된다.
기존 전자화물은 유기와 무기 전자화물로 나눠지며 전자가 존재하고 있는 공간 주위의 구조형태에 따라서 물성이 급격히 변하는 것으로 알려져 있다. 현재 개발된 유기 전자화물은 대부분 실온에서 불안정해 전자소재로 응용이 불가능하고 실온에서 안정한 무기 전자화물은 2003년 개발된 `12CaO·7Al2O3` 전자화물이 유일하다.
이번 연구에서 개발된 무기 전자화물 `Dicalcium nitride(Ca2N=[Ca2N]+·e-)`는 실온에서 안정하며 기존 전자화물과 전혀 다른 구조적 특징을 가졌다.
김성웅 교수는 “이번 연구의 의의는 그동안 불가능하다고 생각한 2차원 전자층 구조의 전자화물 개발에 성공한 것과 전자화물 물질군을 질화물까지 넓힌 것”이라며 “그래핀으로는 어려운 투명전극, 에너지변환 열전소재 및 촉매소재로의 가능성이 열린 것”이라고 밝혔다.
홍기범기자 kbhong@etnews.com
