KAIST-오리건대, 2차원 다층 전도성 소재 개발…고성능 소자개발 가능

두께가 원자층(0.3~1nm) 수준인 2차원 전도성 소재가 한-미 연구진에 의해 개발됐다. 공동 연구는 박선아 KAIST 화학과 교수와 크리스토퍼 헨든 미국 오리건대학교 교수가 진행했다. 이들은 층간 간섭을 최소화하면서도 높은 전기전도도를 갖는 새로운 2차원 전도성 금속-유기 골격체(MOF)를 개발했다. 2차원 소재는 두께가 원자층 수준으로 얇아 전자 이동이 엄청 빠르다. 차세대 반도체와 양자 소재로 유망하게 꼽는다. 그러나 여러 층이 쌓이면, 층과 층 사이에서 전자구조와 수송 특성이 변해, 전도도가 뚝 떨어진다. 연구팀은 이 문제를 층과 층을 비틀어 쌓는 방법으로 해결했다. 층을 엇갈려 쌓아 면과 면이 서로 닿는 것을 최소화했다. 이를 통해 전자 이동의 방해 요소를 제거했다. 박선아 교수는 전화통화에서 "평편 상에서 누워있던 벤젠고리를 세로로 쌓는 방식으로 바꿔 오비탈 방향을 바꾼 것으로 보면 된다"며 "이를 통해 전자 간 상호작용이 거의 없어 전도도를 확보할 수 있었다"고 설명했다. 연구팀은 이같은 구조를 구현하기 위해 트립티센(Triptycene) 기반으로 분자를 설계하고, 이를 이용해 새로운 2차원 전도성 MOF 소재(Ni₃(HITrip)₂)를 합성했다. 박선아 교수는 "이 소재는 전자가 빠르고 효율적으로 이동할 수 있는 특수한 전자 구조(kagome 격자의 디랙 밴드 구조)를 그대로 보존했다"며 "이는 단일층에서만 구현 가능할 것으로 여겨졌던 전자 구조가 실제 여러 층이 쌓인 벌크 소재에서도 유지될 수 있음을 보여주는 결과"라고 설명했다. 실제 이 소재는 별도 도핑(불순물을 넣어 전기적 특성을 높이는 공정) 없이도 0.58 S/cm의 높은 전기전도도를 나타냈다. 이는 구리 대비 100만배 낮은 전도도다. 하지만, 물이나 전해질보다는 훨씬 잘 전기가 통하고, 특히 전도성 고분자나 탄소계 복합재, 일부 2D 물질 수준으로 볼 수 있다. 박 교수는 "향후 고성능 전자소자나 차세대 에너지 소재 개발에 활용될 것으로 기대한다"며 "양자소재나 위상물질(독특한 전자 이동 특성을 나타내는 차세대 기능성 소재) 연구에도 새로운 가능성을 제시했다"고 평가했다. 연구결과는 화학분야 국제학술지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.