- 세계 최초 ‘초전도 층상 물질 IrTe2 단층화’ 성공 -

- 층 제어에 따른 속성 변화 원인 규명, 신소재 개발 및 소자 분야 응용 기대 -

□ 반데르발스(van der Waals force) 물질은 약하게 층층이 결합된 구조를 가진 물질이다. 그래핀처럼 한 층을 떼어내거나, 다른 종류의 층들을 쌓아 새로운 성질의 물질로 만들기 쉬운 이유다. 최근 국내외 공동 연구진이 이러한 특성을 활용해 다양한 응용이 기대되는 신소재를 개발했다.

    ※ 반데르발스 물질 : 약한 결합으로 이뤄진 층상구조 물질. 연필심의 주성분인 흑연이 대표적 예로, 단층 구조인 그래핀으로 분리할 수 있음.(연필로 글을 쓰는 원리)

□ 한국원자력연구원(원장 박원석) 중성자과학부 김규 박사는 미국 로렌스버클리(Lawrence Berkeley) 국립연구소 황진웅 박사, 모성관 박사 그리고 캘리포니아 대학교(UC Berkeley) 연구팀과 함께 ‘초전도 층상 물질 이리듐-다이텔루라이드(IrTe2)의 단층화’에 세계 최초로 성공했다. 

ㅇ 이와 관련해 김규 박사가 공동 제1저자로 저술한 논문 ‘이리듐 이합체 형성에 따라 큰 밴드갭을 지니는 단층 이리듐-다이텔루라이드 연구(Large-gap insulating dimer ground tate in monolayer IrTe2)’는 세계적 과학 전문지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인판 2월 16일자에 게재됐다.

ㅇ 국내에서는 경북대학교 물리교육학과 김수란 교수, 군산대학교 물리학과 김봉재 교수, 부산대학교 물리학과 황춘규 교수가 참여 저자로서 함께 연구를 수행했다.

사진 1. 한국원자력연구원 김규 박사 논문이 네이처 커뮤니케이션에 게재됐다.

□ 반데르발스 물질은 층층이 결합된 3차원과 단층이 비슷한 구조와 성질을 갖는다고 알려져 있다. 그중 IrTe2는 초전도성과 특이한 구조로 전세계 연구진에게 주목받는 신소재다. 이번 공동 연구진은 세계 최초로 IrTe2 단층 성장에 성공했을 뿐 아니라, 구조가 변하고 전도성이 사라지는 현상을 발견했다.

ㅇ 기판 표면에 분자나 원자를 조사해 박막 결정을 만드는 분자빔증착법(MBE, molecular beam epitaxy)으로 IrTe2를 단층화했다. 반데르발스 구조로 느슨하게 결합된 3차원 결정과 달리, 단층 IrTe2는 서로 강하게 결합된 새로운 양자 형태임을 확인했다.

ㅇ 또한, 도체 및 초전도성을 갖는 3차원 결정과 달리 단층 결정은 전기가 통하지 않는 부도체 특성을 지녔다.

사진 2. 이리듐-다이텔루라이드의 3차원(상) 및 단층(하) 구조도

□ 연구진은 이론계산과 여러 실험으로 단층 결정의 속성이 달라진 원인까지 밝혀냈다. IrTe2의 성질이 변한 것은 층 사이 활발한 상호작용이 그 원인이다.

ㅇ 기존 3차원 결정에서 텔루륨은 맞닿은 다른 층 텔루륨과 전자를 공유한다. 그러나 층 분리로 인해 상호작용이 사라지면 텔루륨은 같은 층 이리듐 원자의 전자를 흡수하고, 전자를 뺏긴 이리듐 원자들은 서로 강하게 결합하는 이합체를 형성한다. 구조가 바뀌면서 물질의 성질도 변하게 된 것이다.

ㅇ 원자력연구원 김규 박사는 이번 연구에서 이론적 방법을 통한 소재물성 예측 및 분석을 주로 담당해 핵심역할을 수행했다.

□ 김규 책임연구원은 “반데르발스 물질의 특이한 양자역학적 성질을 활용하면 신소재 개발 가능성이 무궁무진하다”며, “층간 상호작용을 변화시켜 물질의 성질을 바꾸고 원리를 규명한 이번 경험을 토대로, 앞으로 소자기술 응용 방안을 논의할 수 있을 것”이라 밝혔다.

사진 3. 한국원자력연구원 중성자과학부 김규 책임연구원