울산과학기술원, MOF 기반 나노 패턴 기술 개발

나노 세계에서 전자의 이동 경로를 바꾸는 무아레(Moire) 무늬를 분자 단위로 조절할 수 있는 새로운 방법이 개발됐다. 최원영 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수와 김지한 KAIST 교수, 박선아 POSTECH 교수 연구팀은 금속-유기골격체(MOF, Metal-Organic Framework)를 이용해 무아레 무늬의 주기를 정밀하게 제어하는 시스템을 세계 최초로 구현했다고 18일 밝혔다. 무아레 무늬는 두 개의 격자 구조가 엇갈려 겹칠 때 나타나는 간섭 현상이다. 일상에서는 단순한 착시로 여겨지지만, 그래핀 같은 나노 물질에서는 전자의 움직임을 좌우하는 중요한 요소다. 이를 조절하면 새로운 나노 소자와 양자 재료 개발이 가능하지만, 기존 그래핀 구조에서는 원자가 고정돼 있어 무늬 조절이 어려웠다. 연구팀은 MOF의 특성을 활용해 이 문제를 해결했다. MOF는 금속 이온과 유기 분자가 그물망 형태로 결합한 나노물질로, 유기물 종류와 길이를 바꿔 구조를 자유롭게 설계할 수 있다. 연구진은 지르코늄(Zr) 기반의 종이처럼 얇은 MOF 층을 제작하고, 상하 층을 서로 다른 각도로 겹쳐 쌓았다. 투과 전자현미경 관찰 결과, 두 MOF 층의 엇갈린 각도와 유기 분자 길이에 따라 무늬의 형태와 주기가 변화하는 것을 확인했다. 특히 두 MOF 층을 30도 회전시킬 때 나타나는 12각형 대칭 구조가 주목받는다. 이 패턴은 고딕 성당의 스테인드글라스나 모스크의 아라베스크 장식에서 볼 수 있는 스템플리 타일링(Stampfli tiling) 구조로, 겉보기에는 규칙적이지만 실제로는 같은 배열이 반복되지 않는 준주기성을 갖는다. 김지연 박사는 "준주기적 패턴은 전자 움직임에 미세한 변화를 줄 수 있어, 무아레 구조의 전자·광학적 성질을 더 정밀하게 설계할 수 있다"고 설명했다. KAIST는 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 각 회전각에서 형성된 MOF 겹층 구조의 에너지 안정성을 계산해 실험 결과를 뒷받침했다. 일부 구조는 에너지적으로 가장 안정한 형태로 나타나 이론적 타당성을 입증했다. 최원영 교수는 "MOF는 분자 단위로 구조를 설계할 수 있어, 마치 다이얼을 돌리듯 무아레 주기를 자유자재로 조절할 수 있다"며 "이번 성과가 트위스트로닉스(twistronics)나 새로운 종류의 양자 물질 활용의 물꼬를 열었다"고 강조했다. 이 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Co㎜unications) 8월 13일자에 게재됐다. 연구는 과학 기술정보통신부 한국연구재단, 정보통신기획평가원 등의 지원으로 수행됐다.