다결정 소재에 규칙적인 결함 심어 성능 향상시킨다

- 韓美연구진, 규칙적인 결정 배열 가진 ‘나노 다결정’ 합성 -

- 다양한 소재의 성능 개선 기대 …네이처 표지논문 게재 -

□ 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 석좌교수) 연구팀은미국 버클리캘리포니아대(UC버클리) 폴 알리비사토스 부총장 연구팀과 공동연구를 통해 보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열되어 성능이 대폭 향상된 나노 다결정 소재^*를 합성하는데 성공했다.

* 다결정 소재: 수많은 작은 결정 알갱이들이 엉겨 붙어 만들어진 소재로 가격이 저렴하고 손쉽게 만들 수 있어 산업에 많이 사용(태양전지 원료 폴리실리콘, 배터리의 흑연 전극 등) 

ㅇ공동연구팀은 다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해서 경계결함^*을 균일하게만들고, 더 나아가 원하는 대로 경계결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했다.

* 경계결함 : 다결정 소재의 결정 알갱이 간의 경계에 생기는 미세한 틈으로 소재의 물성을 결정하는 핵심요소(예를 들면, 강철의 경계결함은 강도를 약하게 만드는 단점이지만, 배터리 전극소재에서 발생하는 경계결함은 이온전도도를 향상시키는 장점이 된다)

 ㅇ과학기술정보통신부(장관 최기영)와 IBS(원장 노도영)는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 네이처(Nature, IF 43.070) 1월 16일자 표지논문으로 게재되었다고 밝혔다.

□ 연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼, 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열하여 균일한 패턴의 경계결함을 갖는 나노입자를 합성했다. 

ㅇ이 합성법으로 결정 알갱이의 개수를 조절하면 경계결함의 밀도와 구조를 조절해 소재의 성능을 개선할 수 있다. 제작한나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용해본 결과 촉매활성이 증가하며 전지의 성능이 향상됨을 확인했다. 

ㅇ더 나아가 연구진은 이 합성법을 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에 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 경계결함과 결정재료의 물성 사이의 상관관계에 대해 체계적으로 연구할 수 있는 플랫폼을 제공했다는데 학문적 의미가 있다. 

ㅇ이번 성과는 세계적으로 나노입자 합성화학을 선도하는 나노입자연구단과 소재특성제어를 선도하는 UC버클리 연구진의 합작품이다. 공동 제1저자인 오명환 박사와 조민지 연구원 부부가 미국에 진출해 합성법을 완성하고, UC버클리의 최첨단 이미징 기법으로 합성된 소재를 정밀하게 분석하는 긴밀한 공동연구를 통해 결실을 맺을 수 있었다. 

ㅇ오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원(전 IBS 연구위원)은 “그간 학계와 산업계에서는 결정재료의 경계결함을 최소화시키는데 집중해왔지만, 이번 연구는 오히려 경계결함의 밀도를 높이고 그 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심”이라고 의미를 밝혔다.

 ㅇ현택환 IBS 연구단장은 “촉매, 배터리의 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술로 선진국과의 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 말했다.