결함 제어해 나노 다결정 소재 성능 향상
결함 제어해 나노 다결정 소재 성능 향상
  • 문병도 기자
  • 승인 2020.01.16 03:00
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현택환 IBS 연구단단장 연구팀
IBS 나노입자 연구단과 UC버클리가 이끄는 국제공동연구진은 다결정 소재의 결함을 제어해 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 그림은 일반적인 다결정 재료의 불규칙한 모습과 여러 이번 연구에서 합성된‘나노 다결정’입자의 구조를 형상화했다.
IBS 나노입자 연구단과 UC버클리가 이끄는 국제공동연구진은 다결정 소재의 결함을 제어해 소재의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 일반적인 다결정 재료의 불규칙한 모습과 여러 이번 연구에서 합성된‘나노 다결정’입자의 구조를 형상화했다. (그림제공=IBS)

[뉴스웍스=문병도 기자] 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단단장 연구팀이 폴 알리비사토스 미국 버클리캘리포니아대 부총장 연구팀과 공동연구를 통해 보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열되어 성능이 대폭 향상된 나노 다결정 소재를 합성하는데 성공했다.

공동연구팀은 다결정 소재의 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해서 경계결함을 균일하게 만들고, 더 나아가 원하는 대로 경계결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했다.

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

이 합성법으로 결정 알갱이의 개수를 조절하면 경계결함의 밀도와 구조를 조절해 소재의 성능을 개선할 수 있다.

제작한 나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용해본 결과 촉매활성이 증가하며 전지의 성능이 향상됨을 확인했다.

나아가 연구진은 이 합성법을 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에 적용할 수 있음을 증명했다. 반도체‧배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

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.

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.

오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원은 “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.

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 연구 성과는 세계 최고 권위의 학술지 네이처 16일자 표지논문으로 게재됐다.

현택환(왼쪽부터) 연구단장, 폴 알리비사토스 부총장, 오명환 연구원, 조민지 연구원 (사진제공=IBS)
현택환(왼쪽부터) 연구단장, 폴 알리비사토스 부총장, 오명환 연구원, 조민지 연구원 (사진제공=IBS)
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