요약
보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열돼 성능이 대폭 향상된 나노 다결정 소재를 합성하는 데 성공했습니다. 연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 균일한 패턴의 경계 결함을 갖는 나노입자를 합성했습니다. 더 나아가 원하는 대로 경계 결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는 데 성공했습니다. 향후 반도체, 배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 광범위하게 활용될 것으로 기대됩니다.
기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장 연구팀은 미국 버클리캘리포니아대학교 폴 알리비사토스 부총장 연구팀과 공동 연구를 통해 다결정 소재에 규칙적인 결함을 심어 성능을 향상시켰습니다. 이 연구는 <Nature>에 게재됐습니다.
균일한 패턴 갖는 나노입자 합성
다결정 소재는 수 많은 작은 결정 알갱이들이 엉겨붙어 만들어진 소재인데요. 가격이 저렴하고 손쉽게 만들 수 있어 태양전지 원료인 폴리실리콘, 배터리의 흑연 전극 등 다양한 산업에서 사용됩니다. 하지만 대부분의 결정 재료는 형성 과정에서 미세한 결정 알갱이들로 나눠지고 크기와 모양이 제각기 다른 결정 알갱이들이 뭉쳐진 다결정 소재로 제조됩니다. 이에 결정 알갱이 간의 경계에는 미세한 틈, 경계 결함이 발생합니다.
공동 연구팀은 경계 구조를 규칙적으로 통제하고 경계결함의 독특한 원자배열로부터 발현되는 특별한 물성을 활용하자는 아이디어를 냈는데요. 연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 균일한 패턴의 경계 결함을 갖는 나노입자를 합성했습니다. 더 나아가 원하는 대로 경계결함의 밀도와 구조를 제어해 소재의 물성을 조절하는데 성공했습니다.
원하는 결정 재료를 정육면체와 같이 뚜렷한 모서리를 갖는 나노입자 위에서 성장하도록 유도했는데요. 이렇게 하면 결정이 성장하는 동안 모서리를 기점으로 스스로 분할됩니다.
- 경계결함
다결정 소재의 결정 알갱이 간의 경계에 생기는 미세한 틈으로 소재의 물성을 결정하는 핵심요소입니다. 예를 들면, 강철의 경계결함은 강도를 약하게 만드는 단점이지만, 배터리 전극소재에서 발생하는 경계결함은 이온전도도를 향상시키는 장점이 되기도 합니다.
이 합성법으로 결정 알갱이의 개수를 조절하면 경계 결함의 밀도와 구조를 조절해 소재의 성능을 개선할 수 있습니다. 제작한 나노 다결정을 수소연료전지의 촉매로 사용해본 결과 촉매 활성이 증가하며 전지의 성능이 향상됨을 확인했습니다.
다양한 결정재료에 적용가능
더 나아가 연구진은 이 합성법을 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에 적용할 수 있다는 걸 증명했는데요. 향후 반도체, 배터리 등 첨단 기능성 소재의 성능 향상에 광범위하게 활용될 것으로 기대됩니다. 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 상관관게에 대해 체계적으로 연구할 수 있는 플랫폼을 제공했다는 데 의미가 있습니다.
로렌스버클리국립연구소 오명환 연구원은 "그간 학계와 산업계에서는 결정재료의 경계 결함을 최소화시키는데 집중해왔지만, 이번 연구는 오히려 경계 결함의 밀도를 높이고 그 독특한 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심"이라고 밝혔습니다. IBS 현택환 연구단장은 "촉매, 배터리 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술로 선진국과의 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술이 될 것"이라고 말했습니다.
##참고자료##
- 오명환 et al., "Design and synthesis of multigrain nanocrystals via geometric misfit strain",Nature(2019)
