KAIST, 차세대 2차원 소재 개발…단일층 수준의 전자 특성 유지

실험실 기초 연구, 응용 가능한 소재 기술 연결

고성능 전자소자·에너지 소재 개발 설계 전략

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 여러 겹으로 쌓여도 단일층 수준의 전자 특성을 유지하는 새로운 전도성 소재를 개발했다. 이번 성과는 차세대 전자소자와 양자소재의 실용화를 앞당길 것으로 기대된다.

KAIST은 화학과 박선아 교수 연구팀이 미국 오리건대학교 크리스토퍼 헨든 교수와의 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 실제 활용을 위해 여러 층이 쌓이면 층과 층 사이의 상호작용 때문에 전자의 움직임이 방해받아 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

특히 2차원 전도성 MOF는 단일층 상태에서는 뛰어난 성능을 보이지만 실제 소재처럼 여러 층이 겹겹이 쌓인 벌크(bulk) 상태에서는 본래의 전자적 특성이 약해지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 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 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.

이는 전자가 복잡한 장애물 없이 고속도로를 달리듯 이동할 수 있게 해 높은 전기전도도를 구현하는 데 유리한 구조다.

따라서 지금까지 단일층에서만 구현 가능할 것으로 여겨졌던 전자 구조가 실제 여러 층이 쌓인 벌크 소재에서도 유지될 수 있음을 보여주는 결과다.

소재는 불순물을 넣어 전기적 특성을 높이는 공정 없이도 0.58S/cm의 높은 전기전도도를 보였다.

이는 층간 간섭을 줄이면서도 우수한 전기적 성능을 구현할 수 있음을 입증했다.

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 확인한 것이다. 이를 통해 높은 전기전도도가 나타나는 원리도 규명했다.

이번 연구는 ‘쌓이면 성능이 떨어진다’는 2차원 소재의 오랜 난제를 해결했다는 점에서 의미가 크다.

단일층에서만 가능할 것으로 여겨졌던 우수한 전자 특성을 실제 소재에서도 구현할 수 있음을 보여주며 기초 연구를 실용 기술로 연결하는 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

연구진은 성과가 향후 고성능 전자소자와 차세대 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대하고 있다.

또 양자소재와 위상물질 연구에도 새로운 가능성을 제시함으로써 미래 반도체와 양자정보 기술 개발에 기여할 것으로 전망하고 있다.

특히 여러 층이 쌓여도 우수한 전자 특성을 유지할 수 있어 실제 소자 제작에 필요한 기능성 소재 설계의 폭을 넓힐 것으로 전망하고 있다.

박선아 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.

연구는 화학 분야 국제 학술지인 ‘Journal of the American Chemical Society’에 지난 4월 8일 게재됐다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단 기초연구사업 및 국가슈퍼컴퓨팅센터의 지원을 받아 수행됐다.

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