Update2024.07.05 (금)
국내 연구진이 소재를 아주 작게 만들 때 발생하는 새로운 현상을 세계 최초로 시각적으로 규정해냈다.
재료연구소(소장 김해두)는 재료설계분석연구실 최시영 박사팀이 연구소 내 첨단 전자현미경을 활용해 다양한 전자 소재가 감추고 있던 비밀을 과학적으로 증명해 내는 데 성공했다고 23일 밝혔다.
최 박사팀은 미국 위스콘신 메디슨대학 엄창범 교수, KAIST 정성윤 교수, KAIST 양찬호 교수, POSTECH 오상호 교수 등 국내·외 대학 연구진과의 지속적인 협업을 통해 이번 연구 성과를 이뤘다.
먼저 최 박사팀은 소재의 크기가 극도로 작아졌을 때 발생하는 새로운 현상을 세계 최초로 시각적으로 규명해 사이언스(Science)지에 관련 내용이 소개했다.
예를 들어 금의 경우 눈에 보이는 크기일 때 금색을 띠고 있지만 아주 작은 나노 사이즈로 줄이면 다양한 색상과 특징이 나타난다.이와 유사하게 전자세라믹 소재를 작고 얇게 만들었을 때 나타나는 새로운 전자물리 현상을 시각적으로 증명했다.
미국 위스콘신 메디슨대학의 엄창범 교수팀은 산화물 박막 연구 첨단 장비인 PLD(Plasma Laser Deposition)를 활용해 소재를 작게 만들어 냈다.
4nm의 매우 얇은 두께로 만들어진 소재를 분석한 결과 분극 현상(전기가 흐르는 현상)을 일으키는 각 단위격자들이 덩어리 형태로 구성되어 한 방향으로 정렬되는 모습을 시각화하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 소형 메모리나 전자기기 등 전자 분야 소재 및 부품 제조에 영향을 줄 것으로 기대된다. 또한 다른 여러 소재도 크기를 조절했을 때 나타나는 전자기 뿐 아니라 다양한 현상을 과학적으로 증명해 낼 수 있을 것으로 전망된다.
첨단 전자현미경을 활용한 분석기술을 바탕으로 소재 내부에 존재하는 계면에서의 힘의 균형에 대해 과학적으로 풀어낸 연구 결과는 Nature communications와 Nature Nanotechnology에도 실렸다.
물방울이 유리 등 표면에 방울 모양으로 생성되는 것은 힘의 균형을 맞추기 위해 나타나는 현상이다.
실제로 물방울을 부드러운 소재 위에 두고 관찰한 결과 힘의 균형을 맞추고자 부드러운 소재 내에 가늘고 긴 흠이 발생된다는 연구결과가 보고되기도 했다.
최 박사팀은 이러한 힘의 균형을 리튬이차전지용 양극산화물 소재에서도 찾아냈다. 충방전시에는 헤링본 구조가 나타나게 되는데, 4개의 계면이 만나는 접점에서 힘의 균형을 맞추기 위해 응력이 생기고 입자의 경계가 회전하는 것을 관찰한 것이다. 충방전 시에 발생하는 소재 내 원자 구조를 이해함으로써 이차전지 효율을 증대시키는 소재 설계에 활용될 수 있다.
Nature Nanotechnology에는 태양전지나 반도체 등의 성능을 가늠하는 척도 중 하나인 광전류를 향상시키는 데 적용될 수 있도록 전자의 분포를 국소 영역에 증폭시키는 연구를 다루었다.
두 개 이상의 반도체 물질을 접합하는 방식으로 광전류 효과를 유발하는 기존 태양광 소재와는 달리 단일 물질에서 소재가 휘어질 때 강한 분극현상이 발생하여 전자들이 휘어진 부분에 모이게 되고 이 때 광전류를 향상시킬 수 있음을 확인했다.
태양 같은 빛에너지에서 전기에너지를 생산할 수 있는 광전 효과는 그린 에너지 산업에 적용이 될 수 있다. 특히 매우 잘 휘어지는 나노소재에 적용할 경우 광전 소자 제조에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.
최시영 박사는 “첨단 소재를 만드는 연구만큼 소재를 이해하고 해석하는 재료분석과학도 중요하다. 첨단현미경 활용 및 분석 기술 개발에 더욱 박차를 가해 소재가 품고 있는 다양한 수수께끼의 정답을 찾아냄으로써 신소재 개발 등에 도움이 될 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구 성과는 글로벌 프론티어 하이브리드 인터페이스 사업단의 ‘복합전자기 소재의 인터페이스 기술개발’과 재료연구소 주요 사업 등에 의해 수행됐다.
이 이외에도 최시영 박사팀은 다양한 전자 소재에서 원자를 관찰해 얻은 연구 결과들을 Nano Letters, ACS Nano 등 저명한 저널에 발표했다.
