이종훈 UNIST(총장 조무제) 신소재공학부 교수팀은 홍석륜 세종대 교수팀과 공동으로 질화붕소에 전자빔을 쏘아 삼각형으로 결함이 생기는 장면을 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.
질화붕소는 질소(Nitride)와 붕소(Boron)가 결합된 물질로 흑연과 구조가 비슷해 ‘백색 흑연’으로도 불린다. 그래핀과 정반대로 전기 절연성이 뛰어나 부도체 소재로 활용 가능성이 높은 차세대 소자다.
이번 연구는 원자 한 층에서 결함이 생기는 과정까지 규명해 주목받았다. 연구진은 원자분해능 투과전자현미경(TEM) 안에서 원자들을 추적해 결함 형성 장면을 얻었다. 이 내용이 담긴 논문은 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 발간하는 저널인 ‘나노스케일(Nanoscale)’ 6월 28일자 표지 논문으로 선정됐다.
연구진은 또 투과전자현미경으로 관찰한 내용을 계산물리학으로도 확증했다. 이를 통해 물리학과 재료과학의 융합수준을 진일보시켰다는 평가를 받았다. 이 덕분에 ‘2015년 핫 페이퍼(hot paper)’로도 선정됐다.
질화붕소는 고분해능 투과전자현미경 안에서도 원자 수준으로 관찰하기 어려운 소재였다. 이에 연구진은 질화붕소의 변화 과정을 연속 촬영해 원자 수준의 관찰을 시도했다. 이 과정에 UNIST 연구지원본부에 있는 어드밴스드 투과전자현미경(Advanced TEM)이 활용됐다. 또 관찰 결과를 계산과학으로도 해석해 원자 하나의 움직임까지 추적할 수 있었다. 이차원 재료에서 원자가 손상되면서 구조에 구멍이 생기는 전체 과정을 밝혀낸 것이다.
이종훈 교수는 “이번 연구는 이차원 재료에서 원자 수준에 결함이 생기는 과정을 밝히고 새로운 물리 현상을 규명했다는 데 의미가 있다”며 “이번 연구는 앞으로 이차원 신소재 개발에 기반이 될 것”이라고 기대했다.
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