기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 미국 버클리캘리포니아대(UC버클리) 폴 알리비사토스 부총장 연구팀과 공동연구를 통해 보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열되어 성능이 대폭 향상된 나노 다결정 소재¹⁾를 합성하는데 성공했다.

공동연구팀은 다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해서 경계결함²⁾을 균일하게 만들고, 더 나아가 원하는 대로 경계결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 1월 16일자 표지논문으로 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼, 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열하여 균일한 패턴의 경계결함을 갖는 나노입자를 합성했다.

이 합성법으로 결정 알갱이의 개수를 조절하면 경계결함의 밀도와 구조를 조절해 소재의 성능을 개선할 수 있다. 제작한 나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용해본 결과 촉매활성이 증가하며 전지의 성능이 향상됨을 확인했다.

더 나아가 연구진은 이 합성법을 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에 적용할 수 있음을 증명했다. 향후 반도체‧배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 산업에 유용한 물성을 가진 새로운 기능성 재료를 합성할 수 있는 산업적 의의와 함께 그간 복잡한 구조로 인해 연구가 어려웠던 경계결함과 결정재료의 물성 사이의 상관관계에 대해 체계적으로 연구할 수 있는 플랫폼을 제공했다는데 학문적 의미가 있다.

이번 성과는 세계적으로 나노입자 합성화학을 선도하는 나노입자연구단과 소재특성제어를 선도하는 UC버클리 연구진의 합작품이다. 공동 제1저자인 오명환 박사와 조민지 연구원 부부가 미국에 진출해 합성법을 완성하고, UC버클리의 최첨단 이미징 기법으로 합성된 소재를 정밀하게 분석하는 긴밀한 공동연구를 통해 결실을 맺을 수 있었다.

오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원(前 IBS 연구위원)은 “그간 학계와 산업계에서는 결정재료의 경계결함을 최소화시키는데 집중해왔지만, 이번 연구는 오히려 경계결함의 밀도를 높이고 그 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심”이라고 의미를 밝혔다.

현택환 IBS 연구단장은 “촉매, 배터리의 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술로 선진국과의 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 말했다.

그림설명

▲ [그림 1] 공동연구진이 합성한 나노 다결정 입자의 구조IBS 나노입자 연구단과 UC버클리가 이끄는 국제공동연구진은 다결정 소재의 결함을 제어해 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 그림은 일반적인 다결정 재료의 불규칙한 모습과 여러 이번 연구에서 합성된‘나노 다결정’입자의 구조를 형상화했다. (저작권자 이영희/오명환)

▲ [그림 2] 공동연구진이 합성한 이종접합체의 3차원 이미지연구진은 정육면체 모양의 코발트산화물 나노입자를 기판으로 이용해 코발트산화물-망간산화물 이종접합체를 합성했다. 레고블록을 조립한 듯 코발트산화물 나노입자의 각 면 위에 망간산화물이 각기 다른 방향으로 증착되며 서로 부착되어 다결정 나노입자가 완성된다.

▲ [그림 3] 각 산화물의 단위격자 모양 및 방향 관계연구진이 개발한 코발트산화물/망간산화물 이종접합체는 서로 다른 결정 구조를 갖는다. 이 때문에 망간산화물이 코발트산화물에 증착될 시 특정 방향으로 성장하는 경향을 보인다. 빨간색으로 표시된 격자는 망간산화물이 코발트산화물 정육면체의 각 면에 수직한 방향으로 성장한 결과를 보여준다.

▲ [그림 4] 기하학적인 부정합으로 인해 형성된 간격을 메우기 위한 변형연구진은 망간산화물이 정해진 크기와 모양을 갖는 3차원 기판 위에 증착될 때, 일정한 성장 방향을 선택한다는 것을 파악하고, 이를 이용하여 기하학적 부정합을 유도할 수 있음을 발견했다. 망간산화물은 그레인 사이에 존재하는 기하학적 부정합의 결과인 간격을 메우기 위해서 본래의 결정 구조에서 변형되어 새로운 구조를 갖게 된다.

▲ [그림 5] 전통적인 2차원 에피택시 필름 형성을 3차원으로 확장기존의 에피택시 방법은 2차원 기판에 한정되어 있었다. 연구진은 이를 3차원 나노입자 기판으로 확장하였다. 그 결과 2차원과는 다른 독특한 구조를 발견했다. 연구진이 개발한 합성법을 여러 번 반복하면 망간산화물 나노입자의 크기나 개수를 조절할 수 있고, 이에 따라 망간산화물 사이에 존재하는 결함의 구조와 개수도 조절 가능하다.

▲ [그림 6] 코발트산화물/망간산화물 이종접합체 내의 변형 측정연구진은 고해상도 전자현미경 이미지와 최신 이미지처리 기술을 이용하여 그레인 사이에 형성된 간격을 메우기 위한 변형을 원자단위의 정밀도로 측정하였다. 변형 정도는 평균 약 8% 정도로 이전에 보고된 비슷한 종류의 변형 정도와 비교할 때 이례적으로 높은 수치를 보인다.