질화붕소 사용 2차원 유기 분자 결정 층상구조 형성

2차원 유기분자 결정의 층상구조 이미지. (자료제공: 포스텍)

포스텍(POSTECH·총장 김무환)은 류순민 화학과 교수, 통합과정 김도경 씨 연구팀이 2차원 유기분자 결정의 층상구조를 만들고, 층내·층간 엑시톤의 상호작용을 확인하는 데 성공했다고 지난달 1일 밝혔다.

2차원 유기분자는 플렉서블 디스플레이 등 차세대 반도체 사업에서 주목받고 있는 소재다. 다양한 산업에서 2차원 유기분자를 활용하려면 결정 내 엑시톤의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 하지만 유기분자들이 모이면 일정한 형태 없이 덩어리로 뭉쳐버리기 때문에 그동안 엑시톤에 대한 연구를 진행하는 데 한계가 있었다.

이번 연구에서 연구팀은 육각형 형태의 질화붕소(Hexagonal boron nitride)를 거푸집으로 사용해 유기 분자를 2차원 결정 형태로 쌓아 올린 층상 구조를 만들었다. 전기가 흐르지 않는 절연 소재인 질화붕소를 거푸집 삼아 육각형 형태로 2차원 유기 분자 결정을 찍어내고, 이 결정들을 층층이 쌓아 올리는 데 성공한 것이다.

연구팀은 먼저 2차원 유기 분자 결정이 빛을 흡수하는 정도와 전자를 회절시키는 패턴을 분석하여 결정의 구조와 배열을 규명했다. 그리고, 층층이 쌓아 올린 2차원 유기 분자 결정을 원하는 층수(두께)만큼 분리해 층내·층간 엑시톤의 상호작용을 확인했다. 단일 층에서는 온도가 낮아질수록 분자들의 진동이 줄어들면서 안정적인 환경이 만들어졌다. 그로 인해 결정 내에 있는 엑시톤은 상대적으로 더 멀리 있는 엑시톤과도 상호작용이 가능했으며, 형광 에너지의 변화를 통해 이를 확인했다.

또한 여러 층이 쌓일수록 층간 엑시톤들의 ´섞임´ 현상으로 분자 쌍극자의 총 방향이 계속 변화했다. 그러다가 결정의 두께가 일정 수준 이상 두꺼워지면 분자 쌍극자의 방향이 더 이상 변하지 않고, 한 방향으로 수렴했다. 온도와 층상 구조의 두께에 변화를 주면 엑시톤 간의 상호작용을 제어할 수 있다는 것을 확인한 것이다.

류순민 교수는 "연구를 통해 유기 분자 기반 2차원 소재의 물리적 특성과 엑시톤의 움직임을 제어할 수 있음을 보여주었다”며, "추후 유기 반도체나 태양광 발전 등 다양한 기술에 접목할 수 있을 것”이라는 기대를 전했다.

이번 연구는 한국연구재단의 기초연구실지원사업과 중견연구자지원사업, 삼성미래기술육성사업의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 국제학술지인 ´네이처 커뮤니케이션즈´에 게재됐다.