韓美연구진, 규칙적 배열 가진 ‘나노 다결정’ 합성 성공

다양한 소재의 성능 개선 기대 …네이처誌 표지 논문

[서울=뉴시스] 공동연구진이 합성한 나노 다결정 입자의 구조.

[서울=뉴시스] 이재은 기자 = 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 미국 버클리캘리포니아대(UC버클리) 폴 알리비사토스 부총장 연구팀과 공동 연구를 통해 보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열돼 성능이 대폭 향상한 나노 다결정 소재를 합성하는 데 성공했다.

다결정 소재란 수많은 작은 결정 알갱이들이 엉겨 붙어 만들어진다. 가격이 저렴하고, 손쉽게 만들 수 있어 태양전지 원료 폴리실리콘, 배터리의 흑연 전극 등 산업에 많이 사용된다.

공동 연구팀은 다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 경계 결함을 균일하게 만들고, 더 나아가 원하는 대로 경계 결함 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했다.

과학기술정보통신부와 IBS는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 16일 표지 논문으로 게재됐다고 밝혔다.

연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼, 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 균일한 패턴의 경계 결함을 갖는 나노 입자를 합성했다.

이 합성법으로 결정 알갱이 개수를 조절하면 경계 결함의 밀도와 구조를 조절해 소재 성능을 개선할 수 있다. 제작한 나노 다결정을 수소 연료 전지 촉매로 사용해 본 결과 촉매 활성이 증가하며 전지 성능이 향상함을 확인했다.

더 나아가 연구진은 이 합성법을 금속과 세라믹 포함 다양한 결정 재료에 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 경계 결함과 결정 재료의 물성 사이의 상관관계를 체계적으로 연구할 플랫폼을 제공했다는 데 학문적 의미가 있다고 과기정통부는 평가했다.

이번 성과는 세계적으로 나노입자 합성 화학을 선도하는 나노입자연구단과 소재 특성 제어를 선도하는 UC버클리 연구진의 합작품이다. 공동 제1저자인 오명환 박사와 조민지 연구원 부부가 미국에 진출해 합성법을 완성하고, UC버클리의 최첨단 이미징 기법으로 합성한 소재를 정밀하게 분석하는 등 긴밀한 공동 연구를 통해 결실할 수 있었다.

오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원은 "그간 학계와 산업계에서는 결정 재료의 경계 결함을 최소화하는 데 집중해 왔다. 하지만, 이번 연구는 오히려 경계 결함의 밀도를 높이고, 그 독특한 특성을 활용할 길을 제시한 것이 핵심이다"고 의미를 짚었다.

현택환 IBS 연구단장은 "촉매, 배터리의 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술이다"면서 "선진국과의 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 원천기술이 될 것이다"고 평가했다.


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