새로운 방법으로 2D 소재 예측, 전자기기 혁신 기대

새로운 방법으로 차세대 전자기기에 유용한 2D 물질 예측 CuBiP2Se6의 c축(왼쪽)과 a*-축(오른쪽)을 바라본 모습. 시각적 명확성을 위해 Cu-Bi 결합은 생략되었다. 각 Cu 이온은 약간 비등분적으로 점유된 상태를 나타낸다. 파란 점선은 Cu 변형이 Bi 위치로 향하는 패턴을 강조하기 위해 존재한다. 출처: Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00678 신소재를 찾아내는 것은 재료과학자의 주요 목표이며, 기술 발전의 핵심이다. 특히 현재 연구에서 가장 주목받는 분야 중 하나는 차세대 전자기기를 구동할 수 있는 가능성 있는 2D 물질이다. 미리랜드 대학교 볼티모어 캠퍼스(UMBC)의 연구팀은 이러한 2D 물질을 예측하는 새로운 방법을 개발하여, 전자산업에 큰 변화를 가져올 가능성이 있다. 해당 연구 결과는 7월 7일 Chemistry of Materials에 발표되었다. 2D 물질은 원자 몇 개층으로만 이루어진 매우 얇은 물질로, 종이 한 장처럼 얇지만 매우 강하거나 독특한 방식으로 전기를 전도할 수 있다. 이들은 반 덴 왈스 결합이라는 약한 힘으로 연결되어 있어, 응력에 의해 약간 변형될 수 있지만 쉽게 부러지지 않는다. 이 물질들의 층이 쌓이면 서로 미끄러져서 더욱 유연해진다. 연구팀은 화학과 박사과정생인 펑옌과 화학 및 생화학 조교수인 조셉 벤넷이 이끌었으며, 반 덴 왈스 층상 포스코알코게나이드라는 2D 물질의 한 유형에 집중했다. 일부는 전하를 특정 방향으로 유지하고, 이를 명령에 따라 반전시킬 수 있는 페로전기체 물질이다. 이 물질들은 자기 철선성이 있어, 자기장이 가해지면 유사한 행동을 보인다. 이런 특성은 고급 전자기기, 예를 들어 메모리 장치와 센서에 이상적이다. "2D 반 덴 왈스 페로전기체 물질로 알려진 것은 두 가지뿐입니다. 그래서 우리는 다른 물질들이 어디에 숨겨져 있을지를 묻고 있었습니다," 벤넷은 설명했다. "새로운 저널은 그 질문에 대한 답입니다." 연구팀은 데이터 마이닝, 컴퓨터 모델링, 구조 분석을 혼합하여 새로운 물질 후보를 찾아냈다. "우리는 이러한 물질을 예측하기 위한 일련의 화학 설계 규칙을 개발했습니다. 이는 새로운 기능 소재의 발견을 크게 가속화할 수 있습니다," 연구의 제1저자인 펑옌은 말했다. 벤넷 연구실의 학부생 조슈아 비렌즈비게는 Python 스크립트를 개발하여 물질의 특성에 따라 후보물을 정렬함으로써 팀의 작업 속도를 높이는 데 중요한 역할을 했다. 같은 연구팀의 박사과정생 모나 라예그도 공저자로 참여하였다. 연구팀은 무기 결정 구조 데이터베이스라는 거대한 알려진 결정 구조의 수집소를 시작으로, 양자 구조도를 사용하여 새로운 물질이 숨겨져 있을 가능성이 높은 영역을 찾아냈다. 양자 구조도는 원자의 성질에 따라 서로 어떻게 관련되어 있는지를 차트에 표시한다. "기본 매개변수를 분석하여, 원하는 특성을 가진 물질과 그렇지 않은 물질을 구분할 수 있었습니다," 벤넷은 설명했다. 전기 음성도는 원자가 전자를 얼마나 강하게 끄는지를 측정하며, 원자의 반경은 전자雲의 외곽까지의 거리를 의미한다. 이들 양자 구조도는 마치 보물 지도처럼 작동하여, 새로운 안정적인 2D 물질이 존재할 것으로 예상되는 화학 공간의 영역을 안내한다. 연구 결과는 83가지의 새로운 가능 물질을 찾아냈으며, 이는 이미 실험실에서 성공적으로 합성이 이루어진 일부를 포함하여, 알려진 페로전기체 물질의 수를 크게 늘릴 가능성이 있다. 컴퓨터에서 실험실로 컴퓨터 기반 분석 이후, UMBC 연구팀은 Ryan Stadel, Peter Zavalij, Efrain Rodriguez 등의 University of Maryland, College Park(UMD) 연구자들과 협력하여 일부 예측된 물질을 실험실에서 제조하고 테스트하였다. 이들의 작업은 UMBC의 예측이 새로운 소재의 실험을 안내할 수 있다는 것을 입증하였다. "안정적이고 기능적인 소재로 형성될 가능성이 있는 구성물을 예측할 수 있는 능력은 실험실에서 큰 도움이 됩니다. 마치 아직 만들어지지 않은 소재의 레시피 책을 갖는 것과 같습니다. 이는 시간과 자원을 절약합니다," 벤넷은 말했다. 이 새로운 물질들은 실제 적용에서 큰 잠재력을 보여줄 수 있으며, 전자 산업을 크게 발전시킬 가능성이 있다. 예를 들어, 전원이 꺼진 후에도 데이터를 저장할 수 있는 메모리 장치, 특정 물질의 극히 작은 양을 감지할 수 있는 나노 센서, 또는 배터리 수명을 연장시키는 저전력 부품 등을 개발하는데 활용될 수 있다. 이러한 특성은 기술 산업과 미국 정부 모두에게 매우 필요하다. 발견의 흥미로운 미래 "이 연구는 유망한 기능 특성을 가진 새로운 2D 물질을 발견하기 위한 데이터 주도 접근법이 성공적으로 입증되었음을 보여주며, 차세대 전자 재료 설계를 가속화할 잠재력을 가지고 있습니다," 펑옌은 설명했다. 다음으로, 팀은 고속밀도함수이론 모델링이라는 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 83가지 물질을 더 깊이 탐구할 계획이다. 페로전기 특성과 제조 용이성을 확인하고, UMD와의 협력을 계속하여 실험실에서 물질을 합성하고 연구하여 특성을 확인하고 특정 용도에 맞게 조정할 것이다. 이 연구는 재료 과학의 중대한 진전을 이루며, 군사용 센서부터 이동 중인 학생들을 위한 오래 지속되는 노트북과 태블릿에 이르기까지, 엔지니어들의 전자기기 제작 방식을 변화시킬 가능성을 열었다. 전문가들의 평가와 회사 프로필: 이 연구 결과는 2D 물질의 발굴과 개발에 있어 획기적인 발전을 보여주며, 기존의 물질 발굴 방법보다 훨씬 효율적이라는 평가를 받고 있다. UMBC는 재료 과학과 기술 분야에서 선두를 달리는 연구 기관으로, 이번 연구를 통해 앞으로도 많은 혁신을 이룰 것으로 기대된다.