韓-佛 과학자, 물리학 이론 깼다…세계 최초 'AA구조' 적층 소재 합성 성공

자석은 같은 극끼리 밀어낸다. 같은 소재의 원자 적층에서도 마찬가지 현상이 발생한다. 이 같은 물리학 법칙을 한국과 프랑스 연구진이 깼다. POSTECH(포항공과대학교)은 신소재공학과 김종규 교수 연구팀이 프랑스 몽펠리에대학교와 함께 과학계에서 '불가능'하다고 여겨졌던 새로운 형태의 원자 배열로 신소재를 합성하는데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 2차원 물질인 '육방정계 질화붕소(h-BN1)'로 여러 층이 정확하게 겹치는 새로운 형태의 'AA 구조'(붕소 위에 붕소, 질소 위에 질소가 쌓이는 형태)를 실현했다. h-BN은 지금까지 붕소와 질소가 '교차 정렬된' 형태의 'AA 프라임 구조'로만 적층이 가능하다는 것이 정설이었다. 같은 극을 가진 자석이 서로 밀어내듯 같은 소재의 원자도 서로 밀어내 열역학적으로 매우 불안정해져 일정한 정렬 상태를 유지할 수 없기 때문이다. 연구팀은 이 연구에서 2인치 크기의 단결정 질화갈륨(GaN) 웨이퍼를 기판으로 사용했다. 또 질화갈륨 표면의 계단 구조를 '성장 가이드'로 활용해 h-BN이 일정한 방향으로 정렬되도록 유도해 'AA 구조'를 구현했다. 기존 연구는 주로 구리(Cu), 니켈(Ni) 등 금속이나 사파이어 기판을 사용한다. 연구팀은 전자를 소량 도입하는 '도핑' 기술을 통해 불안정하다고 여겨졌던 이 'AA구조'가 오히려 더 안정적이라는 사실도 밝혀냈다. 김종규 교수는 "h-BN뿐만 아니라 2차원 반도체 물질 적층에도 적용 가능하다"며 "향후 양자 기술이나 차세대 초소형 전자기기 연구에 중요한 전환점이 될 것"으로 기대했다. 김 교수는 “대외부총장도 맡아 대학 행정과 연구를 병행하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었다"며 "단순한 과학적 발견을 넘어 2차원 소재 산업화의 중요한 전환점을 마련할 것”이라고 말했다. 연구를 함께 수행한 문석호 박사는 "전하 도핑과 기판 계면 설계를 통해 원자층 적층 구조를 제어할 수 있다는 점을 실험과 이론으로 입증한 연구"라며 이번 연구에 의미를 부여했다. 이 연구에는 POSTECH 신소재공학과 김종규 교수와 문석호 박사 외에 최시영 교수와 프랑스 몽펠리에대 기욤 카사부아(Guillaume Cassabois) 교수 연구팀이 참여했다. 연구결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '네이처 머터리얼즈(Nature Materials)'에 지난 19일 게재됐다. 한편, 이 연구는 교육부 글로벌박사펠로우십사업, 기초과학연구역량강화사업 (소재이미징 해석연구센터), 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 나노및 소재기술개발사업, 산업자원부 전자부품산업기술개발사업, 삼성전자 등의 지원을 받았다.