▲ 그래핀과 철이 결합된 2차원 금속박막과 이번 연구를 이끈 마크 러멜리 교수.

국내 연구진이 기존에는 존재하지 않던 2차원 구조의 철 박막을 구현해 전자기 및 광학분야에 혁신을 가져올 전망이다.

미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 IBS(기초과학연구원, 원장 직무대행 신희섭)는 나노구조물리연구단(단장 이영희)의 마크 러멜리(성균관대 에너지과학과 교수)그룹리더팀이 그래핀과 철(Fe)원자를 조합해 2차원의 단일층 금속박막을 만드는데 성공했다고 14일 밝혔다.

연구진은 투과형 전자현미경(TEM)을 이용해 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자를 이동시켜 구멍을 메웠고, 이를 통해 철로 구성된 단일층 막을 만들어냈다.

이렇게 구현된 철 원자막은 지금까지 알려진 원자 간 간격과는 현저히 차이가 나며 3차원 구조(bulk)와는 다른 물성을 갖는다는 사실을 규명했다.

연구진의 성과는 그동안 3차원으로만 존재했던 철 원자의 배열을 그래핀과 상호작용을 통해 지금까지 알려지지 않던 2차원 단일층 금속박막을 구현했다는 데 의의가 있다.

그래핀은 단원자 두께의 평면구조를 지닌 막 형태로 돼 있어 2차원 구조다. 철 원자는 그래핀과는 다른 3차원 구조를 형성하고 있고, 원자간 결합힘이 큰 공유결합으로 형성되기 때문에 2차원 구조를 갖는 것이 사실상 불가능한 것으로 알려져 있었다.

기존에 보고된 연구결과에서도 2차원 구조의 단일층 금속박막을 구현한 사례가 있으나, 구리, 텅스텐 등 기판으로 이를 지지했기 때문에 완벽하게 독립된 형태의 2차원 구조로 간주되기는 어려웠다.

이 물질은 기존 3차원 구조의 원자간격인 FCC(면심입방) 철 1.8Å, BCC(체심입방) 철 2.0Å과는 전혀 다른 2.65±0.05Å의 원자간격을 보였다. 이는 그래핀과 철 접합부의 변형 때문인 것으로 분석됐다.

마크 러멜리(Mark H. Rummeli) IBS 나노구조물리연구단 그룹리더는 “이번 성과는 3차원 구조로만 존재하던 금속 원자 배열을 독립된 2차원 구조로 구현했다는 것에 의의가 있다”고 전하며 “이 원자의 이론적 결과치로 예상되는 급격한 자기 모멘트의 향상은 향후 △전기 △광학 △자기 연구와 응용에 상당한 파급효과를 미치게 될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 미국과학진흥협회(AAAS)에서 발간하는 세계 최고 권위의 과학저널 사이언스에 3월14일자로 게재됐다.