금속 유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework)1)는 독특한 다공성 구조 때문에 물질을 분리하거나 흡수하기 쉬워, 가스 분리·저장이나 약물 전달, 촉매 등 다방면으로 활용될 수 있는 핵심 소재로 급부상하고 있다. 이 물질을 전자 소자에 적용하기 위해선 전기가 통하는 금속 유기 골격체가 필요한데, 기존의 방법으로는 분말 형태로만 만들 수 있어 전자 기기에 적용시키기 어려웠다.
POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학과 박선아·최희철 교수·통합과정 최명근 씨, 화학과·첨단재료과학부 심지훈 교수 연구팀은 일본 도쿄공업대학과의 공동연구로 화학기상증착법(single-step all-vapor-phase chemical vapor deposition)을 활용해 2차원 전도성 금속 유기 골격체의 박막을 합성하는 데 최초로 성공했다.
기존의 전도성 금속 유기 골격체는 주로 용매열 합성(solvothermal synthesis)법으로 만들어졌다. 다만 이 방법으로는 골격체를 분말 형태로만 얻을 수 있어, 산업에 적용 가능한 박막 형태로 제작하기 위해선 복잡한 과정을 거쳐야 했다.
연구팀은 반도체 산업에서 박막을 합성하는 데 주로 쓰이는 화학기상증착법을 적용, 기상 반응을 통해 면적이 큰 전도성 금속 유기 골격체(Cu3(C6O6)2) 박막을 합성하는 데 성공했다. 특히, 이 박막은 두께가 균일하게 증착될 뿐만 아니라, 표면이 매끄러워 전자 소자를 만들 때 성능을 극대화할 수 있다.
연구 결과, 박막으로 만든 마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 크기의 전자 소자는 92.95 S/cm(지멘스/센티미터)의 높은 전기 전도도(Electrical Conductivity)를 기록했다. 용매열 합성법으로 만들어진 전도성 금속 유기 골격체 전기 전도도(1.26 S/cm)의 약 73배에 달한다.
이 결과는 그간 분말 형태에서 낮게 나타났던 전기 전도도를 획기적으로 높인 성과로, 전도성 금속 유기 골격체의 잠재적 특성을 정확히 파악하는 실마리가 될 것으로 기대된다. 또, 박막 형태로 만들어져 전계효과 트랜지스터, 화학저항 센서, 전기화학 촉매 등 다양한 전자 소자 제작에 유용하게 활용될 수 있다.
한편, 국제 학술지 ‘JACS(Journal of the American Chemical Society)’에 최근 게재된 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업과 삼성전자의 지원을 받아 이뤄졌다.
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[용어설명]
1. 금속 유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework): 금속 이온과 유기 분자가 서로 연결되어 만들어진 다공성 물질.
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