[대전 뉴스밴드 = 이준희 기자]

충남대학교 분석과학기술대학원 박인혁 교수팀과 홍콩 이공대학 Kian Ping Loh 교수 연구팀이 한국인의 이름을 딴 차세대 반도체용 2차원 유기 페로브스카이트 신규 물질 개발했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘Science’(IF : 47.73)에 4월 4일자로 게재됐으며, 충남대 박인혁 교수가 공저자로, 홍콩 이공대학 Kian Ping Loh 교수가 교신저자로, 최화섭 박사후연구원이 제1저자로 참여했다. 논문 제목은 Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites이다.

페로브스카이트는 화학 구조식 ABX3를 가지는 물질로, A는 큰 양이온, B는 작은 양이온, X는 음이온을 나타낸다. 페로브스카이트는 전통적으로는 강유전성, 촉매부터, 최근 태양전지, LED로 뛰어난 성능을 보여주어 다양한 응용이 가능한 물질로 많은 주목을 받아왔다.

페로브스카이트는 3차원 구조를 갖지만, 2차원 구조를 갖는 Ruddlesden-Popper phase(RP 상), Dion-Jacobson Phase(DJ 상)이 존재한다. 그러나 2018년 발견된 A, B, X가 모두 유기물인 ‘유기 페로브스카이트’는 기존 무기, 유무기 페로브스카이트와 달리 전하 균형이 맞지 않아 이런 2차원 상이 존재할 수 없다고 알려져 왔다.

공동 연구팀은 격자의 edge 자리에 추가적 B 양이온을 넣고, 새로 개발한 CMD 분자를 A 양이온으로 사용하면 수소결합을 통해 추가적 B 양이온이 안정화됨으로써 2차원 구조를 가지는 유기 페로브스카이트가 존재할 수 있음을 세계 최초로 공개했다.

공동 연구팀은 새로운 고체 물질 구조의 이름을 처음 발견한 사람의 이름으로 명명하는 과학계에 관례에 따라 이번에 새롭게 개발한 2차원 유기 페로브스카이트의 이름은 ‘Choi-Loh-van der Waals phase’(CL-v 상 / 최화섭, Kian Ping Loh)으로 명명했다.

연구팀이 개발한 ‘CL-v 상’은 2차원 구조로 되어 있어 4.2 nm 두께의 매우 얇은 초박막으로 성장할 수 있으며, 높은 밴드갭과 실리콘 산화물보다 높은 유전율(4.8~5.5)을 가지고 있어 차세대 2차원 전자 소자(FET)의 절연체로 활용할 수 있음을 보여줬다.

박인혁 교수는 “이번 연구는 기존 실리콘 반도체 소자의 한계를 뛰어넘는 차세대 2차원 반도체 소자의 마지막 핵심 물질인 고유전율 2차원 절연물질을 개발함으로써, 반도체 소자의 소형화, 고성능화를 이룰 수 있을 것"이라며, "꽤 오랫동안 국제협력한 연구 성과가 ‘Science’지에 게재돼 매우 감회가 새로운 만큼 현재 수행 중인 2차원 유기 페로브스카이트 관련 후속 연구에도 박차를 가할 예정”이라고 밝혔다.