2차원 소재는 여러 층이 쌓이면 성능이 떨어지는 한계가 있다. 이런 가운데 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 여러 겹으로 쌓여도 단일층 수준 전자 특성을 유지하는 새로운 전도성 소재를 개발했다.
KAIST는 박선아 화학과 교수팀이 크리스토퍼 헨든 미국 오리건대 교수와 공동연구로 2차원 전도성 금속-유기 골격체(MOF)를 개발했다고 8일 밝혔다.
2차원 소재는 여러 층이 쌓이면 층과 층 사이 상호작용 때문에 전자 움직임이 방해받아 성능이 떨어진다. 특히 MOF는 여러 층이 겹겹이 쌓인 벌크 상태에서는 본래 전자적 특성이 약해진다.
연구팀은 층과 층이 서로 직접 간섭하지 않도록 '각도'에 주목해 면과 면이 직접 맞닿는 것을 최소화했다. 여러 장 카드를 완전히 포개지 않고 살짝 비틀어 쌓아 서로 달라붙지 않도록 하는 것과 비슷한 원리다. 연구팀은 이런 구조를 구현하고자 '트립티센' 기반 분자를 설계하고, 새로운 2차원 전도성 MOF 소재를 합성했다.
연구팀이 개발한 신물질 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. 지금까지 단일층에서만 구현 가능할 것으로 여겨졌던 전자 구조가 실제 여러 층이 쌓인 벌크 소재에서도 유지될 수 있음을 보였다.
실제 이 소재는 별도 도핑(불순물을 넣어 전기적 특성을 높이는 공정) 없이도 0.58 S/㎝의 높은 전기전도도를 보였다. 층간 간섭을 줄이면서도 우수한 전기적 성능을 구현했다.
이번 연구는 '쌓이면 성능이 떨어진다'는 2차원 소재 오랜 난제를 해결했다는 점에서 의미가 크다.
또 양자소재와 위상물질(독특한 전자 이동 특성을 나타내는 차세대 기능성 소재) 연구에도 새로운 가능성을 제시함으로써, 미래 반도체와 양자정보 기술 개발에 기여할 전망이다.
박선아 교수는 “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.
박근찬 KAIST 석박통합과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 '저널 오브 더 아메리칸 케미칼 소사이어티'에 8일 자 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
