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03.29 (금)

UNIST, 차세대 신소재 '흑린'서 나노주름 첫 포착

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흑린의 나노 주름 생성과정을 처음으로 포착한 UNIST 화학과 권오훈 교수(오른쪽)와 김예진 연구원. (사진=UNIST 제공)

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[울산=뉴시스] 안정섭 기자 = 차세대 전자소자의 새로운 소재 물질로 주목받고 있는 '흑린(Black phosphorus·검은색 인)'이 외부 빛에 반응해 나노 주름을 생성하는 전 과정을 최초로 포착한 연구결과가 나왔다.

흑린은 꿈의 신소재라 불리는 그래핀을 잇는 2차원 소재로 주목받고 있는데, 이번 연구가 흑린의 나노 주름에 의해 파생되는 전기· 광학적 특성을 제어하는 데 큰 도움이 될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 권오훈 교수팀은 흑린에 섬광을 비추는 방법으로 흑린 내부의 미세구조가 변형되는 전 과정을 포착하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

흑린은 전자소자나 나노 스케일의 미세기계(NEMS) 재료로 주목받는 물질이다

전기적 특성을 쉽게 바꿀 수 있어야 이러한 소자 재료로 쓸 수 있는데 흑린의 경우 외부 자극으로 미세구조가 변형되면 전기적 특성이 바뀌는 특이한 성질이 있다.

권오훈 UNIST 화학과 교수는 "흑린은 특정 방향으로 원자 배치가 더 빼곡한 비등방성을 띄고 있다"며 "흑린의 독특한 원자 배치구조 때문에 발생하는 다양하고 특이한 성질을 빛을 이용해 아주 짧은 시간 단위로 조절할 수 있다는 점을 확인해 실증적으로도 가치 있는 연구"라고 평가했다.

흑린이 외부 자극에 반응해 순간적으로 구조가 변하는 모습을 직접 관찰한 연구는 아직까지 없었다.

빛의 강한 에너지로 나노미터 수준의 구조 변형을 일으키기 때문에 변형이 일어나는 순간을 포착하기 힘든데다 원자 수준으로 얇은 흑린의 미세한 구조 변화를 보기 위해서는 특별한 관찰법이 필요했기 때문이다.

연구진은 빛을 외부 자극으로 이용해 흑린의 미세 구조가 실시간으로 바뀌는 모습을 관찰했다. 짧은 순간의 반응을 포착하는 데는 초고속 전자현미경을 활용했다.

초고속 전자현미경으로 얻은 2차원 이미지를 3차원으로 재구성한 뒤 시간 단위로 이어 붙여 흑린이 외부 자극에 반응해 내부 미세구조가 바뀌는 전체 과정을 얻어냈다.

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외부 빛에 반응해 구조 변화를 일으키는 흑린 연구그림. (사진=UNIST 제공)

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이를 통해 흑린을 구성하는 인(P) 원자가 더 빼곡하고 탄탄하게 쌓여있는 방향으로 구조변형이 잘 생긴다는 사실을 발견했다.

원자가 빼곡하게 쌓여있는 방향으로 나노 주름이 더 잘 만들어진 것이다.

인간의 피부는 탄력이 있을수록 주름이 잘 생기지 않는데 흑린에서는 상반되는 현상이 나타났다.

이번 연구에는 전자 빔이 물질 내부를 구석구석 통과하면서 얻은 정보를 모아 이미지를 구성하는 '암시야 이미징(Dark field Imaging)' 기법이 적용됐다.

연구를 주도한 김예진 UNIST 화학과 박사과정 연구원은 "2차원 물질의 구조 동역학 관찰에 암시야 이미징 기법을 최초로 적용한 연구"라며 "국내 유일의 전자 직접검출카메라를 활용해 암시야 이미징 기법을 사용할 수 있었다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 나노 분야 국제학술지인 'ACS Nano'에 이달 23일 자로 출판됐다.

연구 수행은 한국연구재단과 기초과학연구원(IBS), 삼성종합기술원의 지원을 받아 이뤄졌다.

☞공감언론 뉴시스 yohan@newsis.com

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