나노입자 녹는점 원자크기에서 실시간 관찰!
재료연 이정구 박사팀, 투과전자현미경 기법 이용 세계 최초 성공


재료연구소(소장 조경목)가 세계 최초로 나노 입자가 녹는 현상을 원자 스케일에서 실시간 관찰하는 데 성공했다.

이는 최근 나노테크놀로지에 응용되는 입자 크기가 수백 나노에서 수 나노 크기로 작아지고 있는 가운데 수 나노 크기 입자의 녹는점을 정확히 측정할 수 있게 됨에 따라 실제 사용상 안전성 예측의 정확성도 높아져 관련 소재 및 부품의 신뢰성 향상에 크게 기여할 것으로 전망된다.

특히 실제 나노입자가 응용되는 잉크젯 등 인쇄 분야와 정보전자, 바이오산업에서 제품 신뢰성 예측기술을 획기적으로 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 재료연구소 기능재료연구본부 이정구 박사팀이 일본 오사카대학교의 모리 히로타로(Hirotaro Mori)교수와의 공동 연구를 통해 밝혀냈다.

이 박사팀은 투과전자현미경 내에서 바로 증착에 의한 결정성장이 가능하도록 현미경을 개조하고 고온고분해능력 관찰법을 융합하는 관찰법을 독자적으로 개발, 수 나노 크기의 입자가 녹는 과정을 원자크기에서 확인했다.

고체의 크기를 수 나노미터(nm)까지 축소시키면 대응하는 큰 고체(벌크물질)에서는 나타나지 않는 특이한 물리·화학적 성질이 나타난다. 그 중에서도 고체의 녹는점이 물질의 크기 감소와 함께 저하되는 ‘융점 강하’ 현상은 널리 알려져 있다.
하지만 지금까지 전자회절, 열분석, 전계 방사 전류 계측 등 간접적인 방법으로만 관측할 수 있었다. 특히 수 나노 크기 입자의 정확한 녹는점 측정은 불가능했다는 점에서 이번 연구 결과가 갖는 의미가 남다르다.

구체적으로 이번 연구는 흑연기판 상에 놓인 금 입자의 융점 강하를 관찰했다. 전자현미경 내에서 흑연기판 상에 형성된 직경 약 8nm의 금 나노 입자를 실온에서 가열하면 벌크 금의 녹는점(1337K) 보다 237K나 낮은 1100K에서 금원자의 증발(승화)이 현저하게 일어난다. 녹는점 1100K를 유지하면 금의 증발과 함께 입자의 사이즈는 직경 약 5nm까지 작아지며 결정의 금 입자는 액체가 된다.

이번 연구 결과는 영국의 과학 잡지 ‘Nanotechnology’ 2009년 10월호에 게재되기도 했다.

※ 논문제목: In situ atomic-scale observation of melting point suppression in nanometer-sized gold particles, Nanotechnology 20, 475706 (2009)

이정구 박사는 “전자현미경은 국내에서 고가이고, 다루기도 힘들어 ‘분석 장비’로만 인식되는 경향이 강하지만 이를 보다 적극적으로 이용하면 기존의 과학기술분야의 지식을 빠르게 발전시킬 수 있다는 것을 이번 연구를 통해 확인했다”며 기초과학에 대한 중장기적인 투자의 필요성을 강조했다.