[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

준결정(quasicrystal)은 전통적인 결정 구조와 달리, 주기적으로 반복되지 않으면서도 특정한 회전 대칭성을 갖는 독특한 배열을 특징으로 한다. 특히 다섯 번이나 열두 번 회전 대칭과 같이 일반 결정학에서 금지된 대칭성을 포함함으로써, 전자, 광학, 자기, 열전 등 다양한 물리적 성질에서 새로운 현상을 보여주는 물질군으로 주목받아 왔다. 이로 인해 준결정은 기능성 소재 설계에 있어 매력적인 구조적 플랫폼으로 간주되어 왔지만, 구조 형성이 원자 간 상호작용과 화학적 조성에 의해 제한되기 때문에, 그 준주기성(quasiperiodicity)의 길이 척도를 정밀하게 조절하기 어렵다는 근본적인 한계를 가지고 있다.

이러한 한계를 극복하고자, 연구팀은 무아레 패턴(moiré pattern)에 주목하였다. 무아레는 주기적인 격자 구조를 지닌 두 층을 서로 비틀어 겹쳤을 때 나타나는 간섭 무늬로, 특정한 회전 각도에서 고차 대칭성과 공간적으로 복잡한 비주기 배열을 형성할 수 있다는 점에서 준결정과 유사한 특성을 모사할 수 있다. 실제로 트위스트 이중층 그래핀에서는 무아레 패턴을 통해 초전도, 강상관 전자계, 위상 물성 등 새로운 물리 현상이 발견되며 많은 주목을 받았다. 그러나 그래핀을 포함한 기존의 원자 격자 기반 무아레 시스템에서는, 결정 구조 내 고정된 원자 간 거리와 결합 길이로 인해 무아레 패턴의 길이 척도를 자유롭게 조절하는 데 한계가 있다. 이러한 배경에서, 비주기 구조의 공간적 스케일을 체계적으로 조절할 수 있는 새로운 재료 플랫폼에 대한 필요성이 제기되고 있으며, 본 연구는 바로 이러한 도전 과제에 대한 해답을 금속-유기 골격체(metal-organic framework)를 통해 제시하고자 한다.

2.연구내용

본 연구에서는 금속-유기 골격체를 활용하여 층상 구조를 비틀어 쌓는 방식을 통해 12각형 대칭성을 지닌 무아레 패턴을 구현하였다. 동일한 구조의 금속-유기 골격체 단일층을 두 장 겹치되, 한 층을 30도 회전시켜 겹침으로써, 정규 삼각 격자 사이의 간섭 무늬가 형성되었고, 그 결과로 비주기적인 공간 패턴이 나타났다. 이러한 구조는 전통적인 준결정처럼 원자 배열에 내재된 구조가 아니라, 두 층의 격자가 겹치면서 생기는 기하학적 간섭에 의해 형성된 것이다.

특히 본 연구에서는 리간드의 길이가 다른 세 종류의 등격자(isoreticular) 금속-유기 골격체를 제작하여, 무아레 패턴의 크기를 체계적으로 조절할 수 있음을 실험과 수학적 분석을 통해 검증하였다. 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)으로 관찰한 결과, 리간드 길이에 따라 무아레 무늬의 간격이 나노미터 수준에서 변화하였고, 이 패턴은 수학적으로 알려진 스템플리 타일링(Stampfli-tiling)과 잘 일치하였다. 이러한 결과는 금속-유기 골격체의 구조 설계 원리를 기반으로 비주기 구조의 길이 척도를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.

3.기대효과

이번 연구는 금속-유기 골격체를 이용하여 준결정과 유사한 비주기 구조를 설계하고, 그 크기를 조절할 수 있는 새로운 전략을 제시하였다. 특히 유기 리간드의 길이를 변화시키는 단순한 방법만으로도 무아레 패턴의 공간적 크기를 정밀하게 조절할 수 있다는 점에서, 기존 준결정이 갖는 구조적 제약을 극복할 수 있는 가능성을 보여준다.

또한 금속-유기 골격체의 구조적 다양성과 설계 유연성을 바탕으로, 12각형 대칭성뿐만 아니라 8각형 대칭성을 갖는 비주기 구조로 확장할 수 있는 기반을 마련하였다. 이러한 구조 제어는 기공 구조, 이온전도성, 광전자 물성 등 다양한 물리적 특성에 영향을 줄 수 있으며, 기능성 소재의 정밀 설계로 이어질 수 있다. 나아가, 층을 비트는 각도에 따라 물성이 변화하는 트위스트로닉스(twistronics) 개념을 금속-유기 골격체에 적용할 수 있는 가능성도 제시함으로써, 향후 층상 소재 설계와 응용의 새로운 방향을 열 수 있다.

[붙임] 용어설명

1.등격자 금속-유기 골격체(Isoreticular Metal-Organic Framework)

금속-유기 골격체는 금속 이온 또는 금속 클러스터와 유기 리간드가 결합해 형성된 다공성 결정성 물질이다. 이들은 마치 분자 수준의 그물망처럼 작동하여, 기체 저장, 촉매, 분리, 전기화학 등 다양한 분야에서 활용된다.

등격자 금속-유기 골격체는 같은 골격 구조를 유지하면서, 유기 리간드의 길이나 화학적 성질만을 바꾸어 격자 크기 또는 기공 크기를 조절할 수 있는 MOF 계열을 말한다. 즉, '등격자'란 말은 같은 격자구조(topology)를 공유하지만, 구성 요소의 길이나 기능기를 달리함으로써 물성을 조절할 수 있는 구조군이라는 뜻이다. 이를 통해 구조적 일관성을 유지하면서도, 다양한 기능과 크기를 가진 MOF를 체계적으로 설계할 수 있다.

2.준주기성(Quasiperiodicity)

준주기성은'완전한 주기성(periodicity)'은 아니지만, 일정한 규칙이나 질서를 가지고 배열되는 구조적 특성을 뜻한다. 일반적인 결정은 일정한 패턴이 공간적으로 반복되지만, 준주기적인 배열은 절대로 반복되지 않으면서도 특정한 회전 대칭성을 유지한다.

대표적인 예로는 5각형 또는 12각형 회전 대칭성을 가진 구조가 있으며, 이는 일반적인 결정에서는 허용되지 않는다. 준주기성은 결정성과 무질서 사이의 중간에 위치한 구조로, 전자 및 광자 전달 특성이 기존 물질과는 다른 방식으로 나타날 수 있어, 소재 과학에서 주목받고 있다.

3.무아레 패턴(Moiré Pattern)

무아레 패턴은 주기적인 두 격자 구조가 겹쳐졌을 때 약간의 비틀림(회전각)이나 격자 간 불일치에 의해 나타나는 간섭 무늬이다. 일상 생활에서 모기장을 두 겹 겹치거나, 화면을 카메라로 촬영할 때 생기는 물결무늬가 대표적인 예이다.

나노 과학에서는 2차원 소재(예: 그래핀)의 이층 구조를 서로 비틀어 겹쳤을 때 형성되는 무아레 패턴이 중요한 물리적 특성을 유도할 수 있다는 점에서 주목받고 있다. 이러한 간섭 무늬는 원래 격자보다 훨씬 큰 길이 척도를 가지며, 패턴의 형태나 크기는 격자의 회전각이나 간격에 따라 정밀하게 변화한다. 최근에는 무아레 패턴을 인위적으로 조절하여 준주기적 대칭성, 위상 물성, 초전도성 등을 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

4.스템플리 타일링(Stampfli-Tiling)

스템플리 타일링은 수학자 피터 스템플리(Peter Stampfli)가 제안한 도형 배열 방식으로, 12각형 대칭성을 갖는 비주기 구조를 형성하는 타일링 기법이다. 이 구조는 정삼각형, 정사각형, 마름모를 일정한 규칙에 따라 배열하여 생성되며, 동일한 패턴이 더 큰 스케일로 반복되는 자기유사성(self-similarity)을 나타낸다. 이러한 특성은 프랙탈(Fractal) 구조의 대표적인 예로 간주된다. 스템플리 타일링은 특히 30도로 비틀어진 그래핀 이층 구조에서 나타나는 12각형 준결정성 패턴을 수학적으로 해석하고 설명하는데 유용한 모델로 활용되어 왔다. 본 연구에서는 이를 삼각 격자 기반의 금속-유기 골격체 구조에 적용하여, 무아레 패턴의 공간 구조를 수학적으로 해석하고자 하였다.

5.트위스트로닉스(Twistronics)

트위스트로닉스(Twistronics)는 ‘비틀다(twist)’와 ‘일렉트로닉스(electronics)’의 합성어로, 층상 2차원 소재를 특정 각도로 비틀어 적층했을 때 나타나는 전자적 성질을 제어하는 기술 또는 연구 분야를 말한다. 예를 들어, 이중층 그래핀을 약1.1도로 비틀면 전자 간 강한 상호작용이 유도되어 초전도 현상이 발생하는데, 이는 트위스트 각도가 전자 밴드 구조를 극적으로 변화시킨 결과이다. 트위스트로닉스는 각도 조절이라는 간단한 물리적 매개변수를 통해 새로운 전자 상태를 구현할 수 있다는 점에서 차세대 양자 소재 연구의 중요한 영역으로 떠오르고 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 다양한 시스템에서의 준주기적 길이 척도 비교. A. 준결정과 무아레 물질에서 관찰되는 준주기적 길이 척도의 비교. B. 두 층의 Zr 금속-유기 골격체를 비틀어 쌓아 형성된 무아레 패턴.

그림 2. 삼각 격자를 갖는 등격자 지르코늄(Zr) 기반 금속-유기 골격체 구조

A.지르코늄(Zr) 클러스터와 유기 리간드(NDC, BPDC, AZDC)의 분자 구조. 클러스터는 금속-유기 골격체(MOF) 내에서 격자 꼭짓점의 역할을 함 B. 지르코늄 클러스터와 리간드로 구성된 삼각 격자 구조. 리간드 길이에 따라 격자의 크기가 달라짐. C. 투과전자현미경(TEM) 이미지와 푸리에 변환 패턴(FFT)을 통해 삼각 격자 구조 형성을 확인함. D.분말 X선 회절(PXRD) 분석을 통해 MOF의 결정성이 유지됨을 확인함.

그림3. 비틀어진 이중층 금속-유기 골격체에서의 무아레 패턴 형성 A, 비틀린 이층 구조에서 무아레 패턴이 생성되는 개념도. B, 회전각에 따른 무아레 주기의 변화. 회전각이 작을수록 주기가 길어진다. C, 다양한 회전각에서의 투과전자현미경(TEM) 이미지, 회절(FFT) 패턴, 모델 구조. D, 전자현미경 데이터를 바탕으로 수집한 회전각 통계. E, 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통한 회전각별 에너지 계산.

그림4. 스템플리 타일링의 자기 유사성과 길이 척도 계산

그림5. 지르코늄(Zr) 기반 금속-유기 골격체의 12각형 준주기 패턴 구현

A, Zr-BPDC에서 관찰된 패턴을 스템플리 타일에 매핑. B, 30도 회전된 구조 모델. C, 스템플리 타일링의 기본 구성 단위. D, 리간드 길이에 따른 패턴 크기의 차이를 비교한 전자현미경(TEM) 이미지.

그림 6. 다양한 이중층 격자 구조에서의 12각형 및 8각형 준주기 패턴

MOF의 격자 구조와 회전각에 따라 다양한 준주기 패턴을 가짐. hxl및 kgd격자는30도 회전 시12각형, sql및 sql-b격자는45도 회전 시8각형 준주기 패턴을 형성함.