IBS 나노입자연구단⋅美 버클리캘리포니아대, 나노 다결정 소재 개발
강철을 구성한 입자들의 경계에 미세한 틈이 많으면 강도가 떨어져 소재로 사용하기 어려운 문제가 생긴다. 이 틈을 ‘경계 결함’이라고 하는 데 지금까지 다결정 구조의 물성을 흐트리는 천덕꾸러기로 취급받았다.
그러나 배터리 전극 소재에서 경계결함의 밀도를 높일 경우 이온전도도가 높아지는 효과가 나타나기도 한다. 소재에 따라 경계 결함이 사용 효과를 더 높여줄 수도 있는 것이다. 최근 이같은 점에 착안해 작은 입자들의 경계 결함을 규칙적으로 통제하는 합성 기술이 나왔다.
현택환(서울대 석좌교수) 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 단장 연구팀은 미국 버클리캘리포니아대 연구팀과 보도블록처럼 규칙적인 결정으로 배열되면 성능이 대폭 향상되는 나노 다결정 소재를 만들었다고 16일 밝혔다.
다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해서 경계결함을 균일하게 만들고, 원하는 대로 경계결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공한 것이다. 이는 경계결함과 결정재료의 물성 사이의 상관관계에 대해 체계적으로 연구할 수 있는 플랫폼을 제공했다는 의미다.
오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원(前 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 밝혔다.
이 합성법으로 결정 알갱이의 개수를 조절하면 경계결함의 밀도와 구조를 바꾸고 소재의 성능을 개선할 수 있다. 실제 연구진이 이 합성법으로 제작한 나노 다결정을 수소연료전지 촉매로 사용한 결과, 전지의 성능이 향상됐다.
연구진은 원하는 결정재료를 정육면체와 같이 뚜렷한 모서리를 갖는 나노입자 위에서 성장하도록 유도하면 결정이 성장하는 동안 모서리를 기점으로 스스로 분할되는 현상을 이용해 이번 합성법을 찾아냈다.
산화망간 나노결정이 정육면체의 각 면에 수직한 방향으로 성장하고, 각 모서리를 기점으로 분할되면서 자연스럽게 레고블록을 쌓아놓은 듯한 모양으로 경계 결정이 발생했다. 연구팀은 산화망간이 규칙적 패턴을 이루고, 동일한 구조의 경계 결함을 형성한다는 사실을 확인했다.
이 합성법은 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정 재료에도 적용할 수 있는 것으로 나타났다. 산화망간 결정 알갱이의 갯수를 조절하면 경계결함의 밀도와 구조도 변화했다. 향후 반도체, 배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능을 향상시킬 수도 있을 것으로 기대된다.
현택환 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.
이번 성과는 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature, IF 43.070)’ 1월 16일자에 표지논문으로 실렸다.