복잡한 전산 계산 없이 원자의 전기적 특성이나 크기 같은 직관적인 정보를 이용해 물질의 구조를 쉽게 예측할 수 있는 방법이 발견됐다. 신소재를 탐색하는 효율이 향상될 전망이다.

한국연구재단은 심우영 연세대 신소재공학과 교수팀이 전산 계산 없이도 화합물의 구조를 예측할 수 있는 현상학적 모델(Phenomenological model)을 개발하고, 이를 이용한 반도체 소재 제작도 성공했다고 21일 밝혔다. 현상학적 모델이란 복잡한 물리 현상을 직관적이고 경험적인 지표를 기반으로 정량화해 예측하는 모델을 말한다.

화합물의 구조 예측은 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션(모의실험)에 의존한다. 이 방식은 정확도는 높지만 계산 비용이 크고, 전문 인력이 필요하며, 연구 대상도 제한적이라는 한계가 있다. 연구자들은 그 대안으로 이온 반지름, 전하 같은 직관적인 원자의 특성을 활용해 물질 구조를 예측하는 현상학적 모델을 썼다.

하지만 기존 모델은 두 가지 원소로 이루어진 단순 화합물만 예측 가능해 세 가지 이상의 원소가 섞인 3원계 이상의 화합물 분석에는 활용이 어렵다는 문제가 있었다. 최근 신소재 개발은 조성이 복잡한 3원계 이상이 중심으로 진행되고 있기 때문에 이에 적합한 새로운 예측 모델 개발이 필요한 상황이었다.

연구팀은 최근 반도체 및 광학 재료로 주목받는 ‘알칼리 금속, 13족(III족), 15족(V족) 원소’로 이뤄진 3원계 화합물의 구조를 직관적으로 예측할 수 있는 새로운 현상학적 모델을 개발했다. 이 모델은 전기음성도, 이온 크기 같은 정보를 조합하는 방식으로 화학 결합 특성을 수치화해 정량지표로 나타내며, 이를 바탕으로 원소들의 결합 방법에 따른 구조를 예측할 수 있다.연구팀은 이 모델을 이용해 기존에 알려진 층상 구조 물질 35종을 정확히 분류했고, 아직 알려지지 않은 신소재 후보 9종도 찾았다. 그중 반도체 후보 물질로 알려진 두 물질(K₂In₂P3와 Na₂In₂As₃)을 직접 합성했고, X선과 전자현미경 분석을 통해 이들 물질의 구조가 새로운 모델로 예측한 구조와 맞음을 실험적으로 입증했다.

또한 Na₂In₂As₃를 활용해 2차원 소재(InAs)를 만들고, 이를 이용한 차세대 메모리 소자인 멤트랜지스터 실험도 성공했다. 멤트랜지스터란 양이온이 포함된 반도체 물질을 기반으로 한 소자다.

심우영 교수는 “이번 연구는 3원계 화합물에서 결합 특성 기반의 구조 예측이 가능함을 증명한 최초의 사례”라며 “고비용 계산에 의존하지 않고도 층상 구조 형성 여부를 효율적으로 판단할 수 있는 경량형 예측 모델을 제시했다는 데 의의가 있다”고 밝혔다. 공동 제1저자인 원종범·김태영 박사는 “새로운 모델은 소재 탐색의 효율을 높여 신규 물질 설계, 광전자·메모리 소자용 층상 구조 발굴 등 다양한 응용이 가능할 것”이라고 기대했다.

이 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 5월 19일자와 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 1일자에 발표됐다.