서울공대 재료공학부 유효빈 교수팀, 무아레 격자 중첩 통해 2차원 양자물질 플랫폼 구현

안영만 기자 / 서울대학교 공과대학은 재료공학부 유효빈 교수 연구팀이 고등과학원 손영우 교수, 이화여자대학교 박창원 교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 무아레 격자 중첩을 통한 2차원 양자물질 플랫폼을 구현했다고 밝혔다.

▲왼쪽부터 박대성 연구원(석사 졸업, 현 삼성전자 재직), 김병현 연구원(서울대학교 석박통합과정 재학 중), 박창원 이화여자대학교 물리학과 교수, 야나노세 구니히로 고등과학원 박사, 손영우 고등과학원 교수, 유효빈 서울대학교 재료공학부 교수

이번 연구 결과는 지난 5월 14일 과학기술 분야 최고 권위 학술지 ‘네이처(Nature)’지에 ‘Unconventional domain tessellations in moire-of-moire lattices’ 제하의 논문으로 온라인 게재됐다. 아울러 해당 연구는 한국연구재단의 우수신진연구 및 선도연구센터 사업, 포스코청암재단의 포스코사이언스 신진교수 펠로십, 고등과학원 등의 지원으로 수행됐다.

본 연구는 그래핀 삼중층 구조에서 서로 다른 무아레 격자들이 중첩될 때 형성되는 위계적 구조와 복합 상호작용을 원자 수준에서 규명한 최초의 사례로, 향후 프로그래머블 양자소자 및 차세대 전자 재료 개발을 위한 새로운 고체 플랫폼의 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있다.

◇ 연구 배경

‘무아레(moire) 현상’은 두 개의 규칙적인 무늬가 겹칠 때 생기는 새로운 중첩 무늬를 의미한다. 예를 들어 두 겹의 망사천을 겹치면 원래 없던 물결 무늬가 나타나고, TV 화면 속 줄무늬 셔츠에서 새로운 격자 무늬가 보이기도 한다. 최근 과학계는 이 같은 단순한 시각적 효과 외에도, 무아레 현상이 전자의 움직임과 성질을 근본적으로 바꿀 수 있다는 점에 주목하고 있다.

전자기기나 양자소자의 작동 원리에서 핵심이 되는 전자의 움직임과 상태는, 이를 구성하는 물질 내부의 원자들이 어떤 규칙에 따라 얼마만큼의 간격으로 배열돼 있는지와 밀접히 관련돼 있다. 일반적인 고체 물질에서는 이 원자 간 배열이 고정돼 있어, 전자의 성질을 인위적으로 바꾸기 어렵다.

이에 반해 그래핀(graphene)처럼 원자 한 층으로 이뤄진 매우 얇은 2차원 물질을 두 장 겹친 후 약간 비틀면, 각 층의 원자 배열 간 간섭으로 새로운 격자 구조인 ‘무아레 격자(moire lattice)’가 형성돼 기존 물질로는 구현할 수 없는 새로운 격자 주기를 인위적으로 설계하는 것도 가능하다. 이를 통해 전자의 흐름과 성질을 정밀하게 조절할 수 있어, 양자기술 및 차세대 전자소자 개발을 위한 새로운 재료 플랫폼으로 각광받고 있다.

기존 무아레 구조 연구는 두 층을 겹친 ‘단일 무아레 구조’에 집중한 사례가 대부분이었다. 하지만 세 층 이상을 쌓아 겹치는 경우, 각 층 사이에서 형성된 서로 다른 무아레 격자들이 중첩되며 완전히 새로운 위계적 구조, 즉 ‘이중 무아레 구조(moire-of-moire lattice)’가 만들어질 수 있다. 두 개의 무아레 격자 주기를 각각 독립적으로 제어할 수 있는 이 구조는 전자 상태 조절의 자유도를 기존보다 한층 높일 수 있다는 점에서 중요한 의미를 지닌다