컴퓨터 계산없이 화합물 구조 쉽게 예측…’반도체 소재’ 제작 성공

- 연세대 심우영 교수팀, 직관적인 원자 정보 이용

심우영 연세대학교 교수.[연세대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 복잡한 전산 계산 없이도 원자의 전기적 특성이나 크기 같은 직관적인 정보를 이용해 물질의 구조를 쉽게 예측할 수 있는 방법이 제시돼 신소재 탐색 효율이 향상될 전망이다.

한국연구재단은 연세대학교 심우영 교수 연구팀이 전산 계산 없이도 화합물의 구조를 예측할 수 있는 현상학적 모델을 개발하고, 이를 이용한 반도체 소재 제작도 성공했다고 밝혔다.

화합물의 구조 예측은 일반적으로 제일원리 기반의 컴퓨터 시뮬레이션에 의존한다. 이 방식은 정확도는 높지만 계산 비용이 크고, 전문 인력이 필요하며, 연구 대상도 제한적이라는 한계가 있다.

대안으로 폴링의 법칙처럼 이온 반지름, 전하와 같은 직관적인 원자의 특성을 활용해 물질 구조를 예측하는 ‘현상학적 모델’들이 제시됐다. 하지만 기존의 현상학적 모델들은 두 가지 원소로 이루어진 단순 화합물만 예측 가능해 세 가지 이상의 원소가 섞인 3원계 이상의 화합물 분석에는 활용이 어려웠다.

최근 신소재 개발은 조성이 복잡한 3원계 이상이 중심으로 진행되고 있어 새로운 예측 모델 개발이 필요한 상황이다.

연구팀은 반도체 및 광학 재료로 주목받는 ‘알칼리 금속, 13족(III족), 15족(V족) 원소’로 이루어진 3원계 화합물의 구조를 직관적으로 예측할 수 있는 새로운 현상학적 모델을 개발했다.

이 모델은 전기음성도, 이온의 크기 같은 정보를 조합해 화학 결합 특성을 수치화하여 정량지표로 나타내며, 이를 바탕으로 원소들의 결합 방법에 따른 구조를 예측할 수 있다.

3원계 A–III–V 화합물의 구조 분류 기준과 예측 모델 개발.[연세대학교 제공]

연구팀은 이 모델을 이용해 기존에 알려진 35종의 층상 구조 물질을 정확히 분류했고, 아직 알려지지 않은 9종의 신소재 후보도 찾았다.

그중 반도체 후보물질로 알려진 K2In2P3와 Na2In2As3 두 물질을 직접 합성하였으며, X선과 전자현미경 분석을 통해 이들 물질의 구조가 새로운 모델로 예측한 구조와 맞음을 실험적으로 입증했다.

합성한 Na2In2As3를 활용하여 2차원 소재(InAs)를 만들고, 이를 이용한 차세대 메모리 소자인 멤트랜지스터** 실험도 성공하였다.

심우영 교수는 “이번 연구는 3원계 화합물에서 결합 특성 기반의 구조 예측이 가능함을 증명한 최초의 사례로, 고비용 계산에 의존하지 않고도 층상 구조 형성 여부를 효율적으로 판단할 수 있는 경량형 예측 모델을 제시한데 의의가 있다”라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발 사업의 지원을 받아 진행된 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’와 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 각각 발표됐다.