■ 핵 생성 과정을 원자 수준에서 직접 관찰 성공

 

 

■ 핵 생성 과정을 원자 수준에서 직접 관찰 성공

 

● 반도체 소재 분야 원천 기술 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대

 

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 박정원 연구위원 (서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 원자가 모여 결정을 이루는 '핵 생성'(nucleation) 과정을 세계 최초로 관찰해 냈다고 2021년 01월 29일 밝혔다. '원자핵이 결정화되는 과정에서 일어나는 비결정상과 결정상 사이의 가역적 전이 (Reversible disorder-order transitions in atomic crystal nucleation)' 라는 제목의 이번 논문은 학계에서 오랜 난제였던 결정핵 생성 원리를 제시한 점을 인정받았다. 핵 생성은 원자가 모여 물질을 만드는 출발점이지만, 원자의 크기가 수 옹스트롬(Å·100억분의 1ｍ) 수준으로 작은 데다 밀리초(ms·1천분의 1초) 단위로 빠르게 움직여 관찰이 어려웠다. 공동 연구팀은 원자 한 개 두께의 얇은 그래핀 (흑연의 한 층에서 떼어낸 2차원 물질) 위에 전자빔을 받으면, 금 원자를 내보내는 나노 물질을 합성했다.

 

● 세계 최초로 핵생성 과정을 원자 수준에서 직접 관찰 성공

 

이어 미국 로렌스버클리 국립연구소(LBNL)이 보유한 세계 최고 성능의 투과 전자 현미경(TEM)을 이용해 금 결정이 만들어지는 과정을 실시간으로 관찰했다. 투과 전자 현미경의 전자빔을 받고 방출된 금 원자는 그래픽 박막 위에서 뭉치며 나노 결정을 만들게 된다. 관찰 결과, 원자들은 무질서하게 뭉친 비결정상 구조와 규칙적으로 배열된 결정상 구조를 가역적으로 반복하며 결정핵을 형성하는 것으로 나타났다. 처음에는 대부분 비결정상 상태였던 결정핵은 성장하면서 최종적으로 결정상 상태를 이루게 된다. 이는 처음부터 결정핵이 규칙적인 결정상으로 성장한다는 기존 이론을 뒤집는 것이다. 박정원 연구위원은 "핵 생성 과정의 새로운 원리를 발견함과 동시에 이를 실험적으로 검증했다"며 "원자 몇 개가 뭉친 초기 단계에서는 결정상과 비결정상을 오가는데 필요한 에너지가 적어 두 상태를 반복하게 된다"고 설명했다. 이원철 교수는 "박막 증착 공정의 극 초기 상태를 실험적으로 재현하는 데 성공했다"며 "반도체 소재 분야 원천 기술 개발에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

 

● 기초과학연구원, 한양대학교, 미국 로렌스버클리 국립연구소(LBNL) 공동 진행

 

삼성전자가 삼성 미래기술 육성사업을 통해 이번 연구에 힘을 보탰다. 박정원 교수가 삼성미래기술육성사업과 기초과학연구원 연구단 사업의 지원을 받아 이 연구에 참여했다. 박정원 교수는 앞서서도 삼성 미래기술 육성사업과 기초과학연구원의 도움을 받아 '나노 입자 3차원 증명사진 촬영 기술 개발' 연구를 진행했었다. 그 결과가 2020년 04월 사이언스에 실린 바 있다. 삼성 미래기술 육성사업은 2013년부터 10년간 1조 5천억원을 출연해 기초과학, 소재기술, 정보통신기술(ICT) 등 연구 분야에서 매년 3차례 (상·하반기 자유공모, 연 1회 지정테마) 과제를 선정해 지원하는 공익 사업이다. 삼성은 우리나라 미래를 책임질 과학기술 분야를 육성·지원해 사회와 함께한다는 철학에 따라 이 사업을 통해 2013년부터 현재까지 634개 과제에 연구비 8천 125억원을 지원했다. 기초과학연구원 연구팀과 한양대 에리카 캠퍼스 이원철 교수팀, 미국 로렌스버클리 국립연구소(LBNL)가 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 권위있는 국제 학술지 '사이언스'(Science) 2021년 01월 29일 게재됐다.