KAIST 연구진이 여러 겹으로 쌓여도 단일층 수준의 전자 특성을 유지하는 새로운 전도성 소재를 개발했다.
한국과학기술원(KAIST)은 화학과 박선아 교수 연구팀이 미국 오리건대학교 크리스토퍼 헨든 교수와의 공동연구를 통해 층간 간섭은 최소화하면서 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 이 문제를 해결하기 위해 층과 층이 서로 직접 간섭하지 않도록 '각도'에 주목했다. 새롭게 설계한 분자 구조는 여러 층이 쌓여도 각 층이 일정한 각도로 배열되도록 해 면과 면이 직접 맞닿는 것을 최소화했다.
그 결과 층간 상호작용이 줄어들고 전자가 보다 원활하게 이동할 수 있게 됐다. 연구팀은 이 구조를 구현하기 위해 트립티센(Triptycene) 기반 분자를 설계하고, 새로운 2차원 전도성 MOF 소재를 합성했다.
연구팀이 개발한 새로운 물질 Ni₃(HITrip)₂는 여러 층이 쌓인 상태에서도 단일층과 유사한 전자 구조를 유지하는 것으로 나타났다. 전자가 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 특수한 전자 구조(격자의 디랙 밴드 구조)를 그대로 보존했다.
이는 전자가 복잡한 장애물 없이 고속도로를 달리듯 이동할 수 있게 해 높은 전기전도도를 구현하는 데 유리한 구조다.
실제로 이 소재는 별도의 불순물을 넣어 전기적 특성을 높이는 공정 없이도 0.58 S/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.
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, 향후 고성능 전자소자와 차세대 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대된다고 연구팀은 설명했다.
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.