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재료연, 소재의 수수께끼를 풀다!

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작성일15-09-26 13:01 조회2,611회

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소재의 수수께끼를 풀다!

재료, 첨단 전자현미경 분석기술의 메카로 거듭나

사이언스 등 저명 학술지에 연구 성과 소개돼

 



소재를 아주 작게 만들면 어떤 현상이 나타날까?”

국내 연구진이 소재에 대한 다양한 수수께끼를 첨단 전자현미경을 활용해 풀어내 Science, Nature Communications, Nature Nanotechnology 등 저명 학술지에 소개됐다.


재료연구소(소장 김해두)는 재료설계분석연구실 최시영 박사팀이 연구소 내 첨단 전자현미경을 활용해 다양한 전자 소재가 감추고 있던 비밀을 과학적으로 증명해 내는 데 성공했다고 밝혔다.


최 박사팀은 재료연구소에서 보유하고 있는 수차보정 주사투과전자현미경을 활용했다. 이 장비는 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도까지 분석할 수 있어 매우 세밀한 관찰이 가능하다. 첨단 전자현미경 분석기술은 소재를 원자 단위까지 분석해 각각의 특징을 찾아낼 수 있게 함으로써 신소재 개발 등에 있어 매우 중요한 역할을 한다.

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재료연구소 보유 첨단 전자현미경

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수차보정 주사투과전자현미경 : 머리카락 약 10만분의 1 수준까지 세밀하게 원자/전자 구조 분석 가능

전계방사형 투과전자현미경 : 원자의 배열은 물론 시료 전체의 성분 배열 관찰

In-situ. 전자현미경 : 소재가 열적, 전기적, 기계적 영향을 받았을 때의 반응을 실시간으로 관찰할 수 있는 분석 장비로 원자 단위에서 재료의 미세구조 관찰 가능

   

최 박사팀은 미국 위스콘신 메디슨대학 엄창범 교수, KAIST 정성윤 교수, KAIST 양찬호 교수, POSTECH 오상호 교수 등 국내·외 대학 연구진과의 지속적인 협업을 통해 이번 연구 성과를 이뤘다.

 

먼저 최 박사팀은 소재의 크기가 극도로 작아졌을 때 발생하는 새로운 현상을 세계 최초로 시각적으로 규명해 사이언스(Science)지에 관련 내용이 소개됐다.

예를 들어 금의 경우 눈에 보이는 크기일 때 금색을 띠고 있지만 아주 작은 나노 사이즈로 줄이면 다양한 색상과 특징이 나타난다.

이와 유사하게 전자세라믹 소재를 작고 얇게 만들었을 때 나타나는 새로운 전자물리 현상을 시각적으로 증명했다.

 

미국 위스콘신 메디슨대학의 엄창범 교수팀이 산화물 박막 연구 첨단 장비인 PLD(Plasma Laser Deposition)를 활용해 소재를 작게 만들어 냈다.

최 박사팀은 이를 수차보정 주사투과전자현미경을 이용해 원자 구조에서 세밀하게 분석했다.

4nm의 매우 얇은 두께로 만들어진 소재를 분석한 결과 분극 현상(전기가 흐르는 현상)을 일으키는 각 단위격자들이 덩어리 형태로 구성되어 한 방향으로 정렬되는 모습을 시각화하는 데 성공했다.

이번 연구 결과는 소형 메모리나 전자기기 등 전자 분야 소재 및 부품 제조에 영향을 줄 것으로 기대된다. 또한 다른 여러 소재도 크기를 조절했을 때 나타나는 전자기 뿐 아니라 다양한 현상을 과학적으로 증명해 낼 수 있을 것으로 전망된다.

   

 

첨단 전자현미경을 활용한 분석기술을 바탕으로 한 연구 결과는 Nature communicationsNature Nanotechnology에도 실렸다.

  

 

Nature communications에는 소재 내부에 존재하는 계면에서의 힘의 균형에 대해 과학적으로 풀어냈다.

물방울이 유리 등 표면에 방울 모양으로 생성되는 것은 힘의 균형을 맞추기 위해 나타나는 현상이다. 실제로 물방울을 부드러운 소재 위에 두고 관찰한 결과 힘의 균형을 맞추고자 부드러운 소재 내에 가늘고 긴 흠이 발생된다는 연구결과가 보고되기도 했다.

 

최 박사팀은 이러한 힘의 균형을 리튬이차전지용 양극산화물 소재에서도 찾아냈다. 충방전시에는 헤링본 구조가 나타나게 되는데, 4개의 계면이 만나는 접점에서 힘의 균형을 맞추기 위해 응력이 생기고 입자의 경계가 회전하는 것을 관찰한 것이다. 충방전 시에 발생하는 소재 내 원자 구조를 이해함으로써 이차전지 효율을 증대시키는 소재 설계에 활용될 수 있다.

  

 

Nature Nanotechnology에는 태양전지나 반도체 등의 성능을 가늠하는 척도 중 하나인 광전류를 향상시키는 데 적용될 수 있도록 전자의 분포를 국소 영역에 증폭시키는 연구를 다루었다.

두 개 이상의 반도체 물질을 접합하는 방식으로 광전류 효과를 유발하는 기존 태양광 소재와는 달리 단일 물질에서 소재가 휘어질 때 강한 분극현상이 발생하여 전자들이 휘어진 부분에 모이게 되고 이 때 광전류를 향상시킬 수 있음을 확인했다. 광전 효과는 태양과 같은 빛 에너지로부터 전기 에너지를 생산할 수 있는 현상으로 그린 에너지 산업에 적용이 될 수 있다. 특히 매우 잘 휘어지는 나노소재에 적용할 경우 광전 소자 제조에 새로운 패러다임을 제시할 수 있다.

   

 

이번 연구 성과는 글로벌 프론티어 하이브리드 인터페이스 사업단의 복합전자기 소재의 인터페이스 기술개발과 재료연구소 주요 사업 등에 의해 수행됐다.

 

  

이 이외에도 최시영 박사팀은 다양한 전자 소재에서 원자를 관찰해 얻은 연구 결과들을 Nano Letters, ACS Nano 등 저명한 저널에 발표했다.

 

  

최시영 박사는 전자현미경을 통해 소재를 분석하는 것은 상황에 따라 시시각각 달라지는 사람의 다양한 성격을 파악하는 일 만큼이나 많은 시간과 노력을 기울여야 가능한 일이라며 첨단 소재를 만드는 연구만큼 소재를 이해하고 해석하는 재료분석과학도 중요하다. 첨단현미경 활용 및 분석 기술 개발에 더욱 박차를 가해 소재가 품고 있는 다양한 수수께끼의 정답을 찾아냄으로써 신소재 개발 등에 도움이 될 수 있도록 노력할 것이라고 말했다.