▲ 연구결과가 실린 Nature誌 1월 16일자 표지의 모습
(출처: Nature)

대부분의 물질은 결정 알갱이 여러 개가 뭉쳐서 생기는 다결정 형태다. 크기가 제각각인 결정 알갱이가 뭉치는 과정에서 알갱이 사이에는 미세한 틈이 생긴다. 강철 알갱이 속 미세한 틈은 소재의 강도를 떨어뜨린다. 반면, 배터리 전극소재 속 미세한 틈은 소재의 이온전도도를 향상시키는 장점이 되기도 한다.

이처럼 ‘경계 결함’으로 불리는 미세한 틈은 소재의 성능을 좋게 혹은 나쁘게 만들 수 있는 결정적인 요소다. 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 미국 버클리캘리포니아대(UC버클리)와의 공동연구를 통해 경계 결함을 규칙적으로 통제할 수 있는 합성기술을 개발했다.

제1저자인 오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원은 “그간 학계와 산업계에서는 결정재료의 경계결함을 최소화시키는데 집중해왔지만, 이번 연구는 오히려 경계결함의 밀도를 높이고 그 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심”이라고 밝혔다.

오 연구원은 각이 진 결정 위에서 다른 결정을 키우는 실험 과정에서 아이디어를 얻었다. 각 진 모서리 근처에서 성장시키려는 결정이 스스로 갈라지는 현상을 발견했기 때문이다. 이에 착안해 정육면체 모양 산화코발트(Co₃O₄) 나노입자를 이용해 산화망간(Mn₃O₄) 결정을 성장시켰다. 산화망간 결정은 정육면체의 각 면에 수직한 방향으로 성장하고, 각 모서리를 기점으로 분할되면서 자연스럽게 레고블록을 쌓아놓은 것 같은 모양으로 경계결함이 발생했다.

▲ 연구진은 정육면체 모양 산화코발트 나노입자를 기판으로 사용해 산화코발트-산화망간 이종접합체를 합성했다. 산화망간은 정육면체의 각 모서리를 기점으로 갈라져 서로 다른 방향으로 자라고, 마침내 서로 부착되어 균일한 경계결함을 갖게 된다.

이후 UC버클리 연구진은 이렇게 합성된 나노 다결정이 규칙적 패턴을 이루고, 동일한 구조의 경계 결함을 가졌음을 분석했다. 결정 알갱이의 개수를 조절하여 경계 결함의 밀도와 구조를 변화시키는데도 성공했다. 실제로 연구진은 이 합성법으로 제작한 나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용해본 결과 촉매활성이 증가하며 전지의 성능이 향상됨을 확인했다.

현택환 단장은 “촉매, 배터리의 전극 등 산업에 중요한 기능성 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술”이라며 “선진국과의 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 말했다. 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’ 1월 16일자 표지논문으로 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬