모기장을 겹쳤을 때 생기는 일렁이는 무늬, 이른바 무아레(Moiré) 패턴은 단순한 착시현상처럼 보이지만 나노 세계에서는 전자의 이동 경로를 바꾸는 중요한 역할을 한다. 그래핀 연구에서 트위스트로닉스(twistronics)의 핵심 원리로 주목받아 왔지만, 원자의 위치가 고정된 그래핀 구조에서는 무늬의 주기를 자유롭게 조절하기 어려웠다.

이 난제를 해결하기 위해 POSTECH 박선아 교수 연구팀이 나섰다. 박 교수팀은 울산과학기술원(UNIST) 최원영 교수팀, KAIST 김지한 교수팀과 협력하여 **금속-유기골격체(MOF, Metal-Organic Framework)**를 이용해 세계 최초로 무아레 패턴을 분자 단위에서 정밀하게 제어하는 데 성공했다.

MOF는 금속 이온과 유기 분자가 그물망처럼 결합한 구조를 가지며, 유기 분자의 종류와 길이에 따라 그물망 크기를 자유롭게 바꿀 수 있다. 연구진은 지르코늄(Zr) 기반의 얇은 MOF 층을 제작한 뒤, 이를 서로 다른 각도로 겹쳐 쌓아 투과전자현미경으로 관찰했다. 그 결과, 층의 회전각과 유기 분자의 길이에 따라 무아레 무늬의 형태와 주기가 달라지는 것이 확인됐다.

특히, 단순한 격자를 넘어 **12각형 대칭 구조의 준주기적 패턴(스템플리 타일링)**도 구현되었다. 이는 고딕 성당 스테인드글라스나 이슬람 아라베스크 문양을 연상시키는 복잡한 구조로, 규칙적이면서도 반복되지 않는 특성을 가진다. 이러한 패턴은 전자의 움직임에 미세한 변화를 주어 전자·광학적 성질을 더욱 정밀하게 설계할 수 있는 가능성을 보여준다.

실험 결과는 이론적으로도 뒷받침됐다. KAIST 김지한 교수팀이 수행한 분자동역학(MD) 시뮬레이션에서 특정 회전각에서 형성된 MOF 겹층 구조가 에너지적으로 안정한 형태임이 입증된 것이다. 이는 연구진이 관찰한 패턴이 우연히 생긴 것이 아니라 실제로 안정적인 구조임을 의미한다.

박선아 교수는 “MOF는 분자 단위에서 자유롭게 설계할 수 있어 마치 다이얼을 돌리듯 무아레 주기를 조절할 수 있다”며 “그래핀 기반 연구에서는 불가능했던 정밀 제어를 가능하게 한 획기적 성과”라고 설명했다. 이어 “이번 성과가 트위스트로닉스뿐 아니라 새로운 양자 물질과 차세대 전자 소자 연구의 중요한 이정표가 될 것”이라고 강조했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 8월 13일자에 게재되었으며, 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다.

[발췌: 서울경제]