균열은 재료의 파괴 신호로, 외부 자극 등을 받은 물질 내에서 무질서하게 생긴다. 1912년 북대서양에서 빙산과 부딪혀 침몰한 타이타닉호, 1994년 붕괴된 성수대교 등은 인류 역사의 대형 참사로 균열에 의한 파괴가 가져온 결과이다.

물질의 균열은 크게 연성 균열과 취성 균열로 나뉜다. 연성 균열물질은 플라스틱 등이 있는데, 힘을 가하면 수 마이크로미터(μm, 1μm=100만 분의 1미터) 이상 늘어나다 균열이 생긴다. 반면, 취성 균열물질은 힘을 가한 즉시 늘어나지 않고 균열이 발생한다. 대표적인 물질로 세라믹이 있다.

지난 반세기 동안 μm 크기 이상의 물질에서 일어나는 균열은 연속체 이론¹⁾과 밀도, 경도 등 물리적 요소들로 설명이 가능했다. 그러나 최근 소재 연구가 나노미터(nm, 1nm=10억 분의 1미터) 영역으로 확대되면서, 연속체 이론으로 균열 현상을 설명하기 힘들어졌다. 나노소재와 벌크소재는 같은 원자들로 구성됐지만, 물리적 성질은 완전히 다르기 때문이다.

IBS 나노구조물리 연구단 이영희 연구단장 연구진은 원자 단위에서 균열 정보를 확보하는데 성공했다. 연구진은 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)²⁾을 이용해 2차원 이황화몰리브덴³⁾에서 일어나는 균열을 nm 단위에서 관측해냈다.

▲ [그림 1] 한 장의 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 힘을 가할 때 발생하는 균열을 관측한 투과전자현미경 사진. 초록색 점은 몰리브덴(Mo)원자를 나타내고 붉은색과 보라색 점은 힘이 가해진 방향에 수직해 생긴 전위를 나타낸다.

이로써 기존의 연속체 이론을 보완해 나노 영역에서의 균열을 설명할 수 있는 중요한 실마리를 찾았다. 이번 연구로 2차원 이황화몰리브덴은 힘을 가하면 전위(dislocation)⁴⁾가 생기며 균열을 한다는 사실이 처음으로 밝혀졌다. 벌크 이황화몰리브덴의 경우 힘을 가하면 취성 균열하는 것과는 대조적이다. TEM의 전자빔으로 자극한 부위에 생긴 전위는 5nm 이내의 영역까지 늘어나다 균열이 생기고, 균열은 수 nm 마다 120°방향전환을 지속했다. 산화된 시료의 경우 늘어나는 영역이 10nm까지 커졌다.

▲ [그림 2] 2차원 이황화몰리브덴 內 시간 경과에 따른 균열. 사진 상의 균열은 수 nm 마다 120°방향전환을 지속하며 좌측 상단 방향으로 커져 감을 확인할 수 있다.

이 같은 현상은 기존의 균열로 단정할 수 없는 중간적 현상으로 연속체 이론으로는 설명이 불가능하다. 따라서 실험 결과를 분석해 나노 영역에서의 균열 현상을 설명할 새로운 이론 정립이 필요한 상황이다.

이영희 단장은 "이번 연구결과로 볼 때, 2차원 물질의 균열 현상은 기존 3차원 물질의 균열과는 근본적으로 달라 기존 연속체 이론 수정이 불가피하다"며 이러한 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론 정립을 위한 후속연구를 진행 중이라고 밝혔다.

한편, 이황화몰리브덴은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있어, 2차원 이황화몰리브덴의 균열 현상에 대한 규명은 추후 활용을 확대하는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구단은 앞선 연구로 인간의 뇌 닮은 차세대 메모리 소자(2016.09, Nature Comm.)와 그래핀-이황화몰리브덴 샌드위치 초박막 반도체(2016.11, Nature Comm.)를 선보인바 있다.

IBS　나노구조물리 연구단 이영희 연구단장, Zhao Jiong 박사, Ly Thuc Hue 박사가 수행한 연구성과는 1월 18일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)에 게재됐다.