한미 공동연구진이 반도체와 배터리 기능을 대폭 향상시킬 수 있는 나노 다결정 소재를 합성해냈다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 현택환 단장 연구팀이 미국 버클리캘리포니아대 폴 알리비사토스 부총장 연구팀과 공동연구로 보도블록처럼 결정이 규칙적으로 배열돼 성능을 대폭 향상시킬 수 있는 나노 다결정 소재를 합성하는데 성공했다고 16일 밝혔다.

다결정 소재는 크기나 모양이 다른 수많은 알갱이가 엉겨 붙은 소재로 가격이 저렴하고 쉽게 만들 수 있어 태양전지 원료인 폴리실리콘이나 배터리에서 흑연 전극처럼 산업에서 널리 쓰인다.

이 연구 결과는 세계 최고 권위 학술지인 네이처 1월 16일자 표지논문으로 게재됐다.

공동연구팀은 다결정 소재에서 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 알갱이 간 경계에서 생기는 미세한 틈인 경계결함을 일정하게 만들었다. 또 원하는 대로 이 경계결함의 밀도와 구조를 조절해 소재의 물성을 조절하는 데도 성공했다.

연구진은 벽돌 여러 장이 규칙적으로 배열된 보도블록이 균일한 틈을 가진 것처럼 나노 결정 알갱이를 규칙적으로 배열해 균일한 패턴으로 경계결함을 갖는 나노입자를 합성했다.

이 합성법으로 결정 알갱이 개수를 조절하면 경계결함 밀도와 구조를 조절할 수 있어 소재 성능도 개선할 수 있다. 이렇게 만든 나노 다결정을 실제 수소연료전지 촉매로 사용해보니 촉매활성이 늘어 전지 성능이 향상됐다.

연구진은 금속과 세라믹을 포함한 다양한 결정재료에 이 합성법을 활용할 수 있음도 증명했다. 앞으로 반도체와 배터리 같은 첨단 기능성 소재의 성능을 향상시키며 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

이번 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 분석하며 긴밀하게 공동연구해 결실을 맺었다.

오명환 로렌스버클리국립연구소 연구원(전 IBS 연구위원)은 “학계와 산업계에서 결정재료의 경계결함을 최소화시키는데 집중해왔다. 하지만 이번 연구는 오히려 경계결함 밀도를 높이고 그 특성을 활용할 수 있는 길을 제시한 것이 핵심”이라고 의미를 밝혔다.

현택환 IBS 연구단장은 “촉매와 배터리 전극 등 산업에 중요한 소재의 성능을 한층 개선할 수 있는 기술로 선진국과 치열한 소재 산업 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 원천기술”이라고 말했다.

박응서 머니투데이방송 MTN 기자