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연세소식

[연구 프론티어] 이용재 교수팀, ‘압력’을 이용한 물질의 차원 전환 최초 발견

연세대학교 홍보팀 / news@yonsei.ac.kr
2019-01-07

이용재 교수팀, ‘압력’을 이용한 물질의 차원 전환 최초 발견

다학제간 국제공동연구를 통해 나노 실리콘의 형상 제어법 규명



이용재 교수(지구시스템과학, 고압광물물리화학연구단) 연구팀이 재료, 물리, 화학 등 다양한 학문 분야를 아우르는 국제공동연구를 통해 ‘나노 실리콘의 형상이 압력을 통해 조절될 수 있다’는 것을 세계 최초로 보고했다. 


연구팀은 이차원 나노시트(nanosheet) 형상으로 합성된 실리콘(규소 원소, Si)에 대기압의 수십만 배에 달하는 압력을 가한 뒤 상압으로 전환하는 과정에서 기존의 이차원 나노시트(nanosheet)가 일차원 나노와이어(nanowire)로 형상이 전환되는 것을 발견했다. 본 연구 결과는 과학기술 전 분야 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.


실리콘은 지각에서 가장 풍부한 금속 원소로 우수한 반도체 특성과 친환경성을 갖춰 우리의 일상 생활에 널리 활용되고 있다. 최근에는 실리콘의 활용도를 수소 생산이나 태양 전지, 초소형 전자회로 등으로 확장하기 위해 다양한 나노 형상의 실리콘 합성 연구들이 진행되고 있다. 


이용재 교수팀은 나노 물질의 입자 크기와 모양을 조절하는 새로운 변수로 ‘압력’을 활용했다. 압력은 물질 연구에 있어서 아직 생소하지만 그만큼 새로운 발견의 가능성이 높은 분야로, 전자 결합에 직접적인 변형을 가할 수 있는 깨끗한 변수다. 이 교수는 압력을 통해 물질마다 고유한 물리적 및 화학적 특성을 제어하고 기존과는 다른 광학, 전자, 자기, 촉매 및 기계적 속성을 만들 수 있다고 생각했다. 


본 연구에서는 다이아몬드 앤빌셀(diamond-anvil cell)이라는 소형 고압 장치를 이용해 두 개의 다이아몬드 사이에 소량의 실리콘 나노시트 시료를 가두고 대기압의 만 배 단위로 압력을 증가시켰다. 더불어 포항방사광가속기(소장 고인수)에서 만들어내는 고에너지 고휘도의 X-선을 다이아몬드 사이의 시료에 조사시켰다.  


측정된 회절 패턴을 분석한 결과, 대기압의 약 이십만 배(20 giga-pascal)까지 압력이 증가함에 따라 나노시트 실리콘은 기존에 알려진 것과 비슷하게 단계적 상전이를 보여줬다. 반면 압력이 감소되는 과정에서는 대기압의 약 팔만 배(8 giga-pascal)에서부터 특정적인 회절 패턴을 보이지 않는 비정질(X-ray amorphous)로 전환되어 대기압까지 유지됨이 관찰됐다. 회절 패턴은 마치 사람의 지문과도 같이 물질 및 물질의 상태에 따라 서로 다른 모양으로 관찰되는데 비정질이라 함은 마치 지문이 지워진 것처럼 회절 패턴에 아무런 뚜렷한 특징이 보이지 않는 상태를 의미한다. 압력 처리에 의해 나노시트 실리콘이 비정질로 전환된 이 지점부터 이용재 교수 연구팀은 본격적인 다학제간 공동연구를 가동하기 시작했다.   


연구팀은 X-선 회절 패턴으로는 더 이상 특별한 정보를 구할 수 없는 상황에서 압력 처리를 통해 만들어진 비정질 물질에 대한 추가적인 정보를 위해 전자현미경 이미징과 구조 및 물성 계산법을 적용했다. 압력 처리 후 회수된 비정질 실리콘 시료에 대해 첨단 고각도-암시아-주사투과전지현미경(High-Angle Annular Dark Field Transmission Electron Microscopy)을 이용해 관찰한 결과 기존의 나노시트 형태 실리콘 형상이 대부분 나노와이어 형태로, 즉 이차원(2-dimension) 판상 물질에서 일차원(1-dimension) 선형 물질로 전환되었음을 확인했다. 


전자현미경 공동연구를 수행한 미국 사우스캐롤라이나대학 나노센터 소장인 토마스 보그트(Thomas Vogt) 교수는 “실리콘 나노시트에서 특정한 방향을 따라 형성되어 있던 결함(defect) 구조가 압력 처리를 통해 확장되면서 나노와이어 성장의 중심축 역할을 했으며 상압에서도 안정적인 나노와이어가 만들어진 것으로 보인다.“라고 설명했다. 


이렇게 만들어진 실리콘 나노와이어는 폭이 약 15 나노미터(nm, 1nm = 10억분의 1 m), 길이는 약 1 마이크론(μm, 1μm = 100만분의 1m) 범위로 관찰되어 최근 제안된 실리콘 나노필라(nanopillar) 제작법에 버금가는 높은 종횡비(aspect ratio)를 보이며 차세대 이미지 센서 소자 물질 합성의 새로운 방법이 될 수 있음도 보여줬다. 


또한 일차원 나노와이어로 만들어진 실리콘은 기존의 벌크 실리콘이나 나노시트 실리콘에 비하여 약 6배 정도 낮은 열전도도(thermal conductivity)를 보이는 것으로 분자 역학(Molecular Dynamics) 시뮬레이션 결과 계산되어 향후 개선된 열전(thermoelectrics) 소자 물질로서의 가능성도 함께 제시했다.  


본 연구는 이용재 교수가 이끄는 고압광물물리화학연구단 리더연구자사업의 지원으로 수행되었으며 황길찬 연구교수가 논문의 1저자로 참여했다. 나아가 우리 대학교 신소재공학과 최헌진 교수팀, 미국 사우스캐롤라이나대학 화학과 및 나노센터 토마스 보그트(Thomas Vogt) 교수팀, 중국 길림대학 물리학과 얀밍 마(Yanming Ma) 교수팀이 공동으로 참여했다. 


연구를 주도한 이용재 교수는 “이번 연구는 고압 연구의 다학제간 특성을 잘 보여주는 사례”라며 “앞으로 압력을 이용한 ‘연금술’을 통해 보다 흥미로운 물질의 숨겨진 특성을 밝힐 수 있도록 노력하겠다.”고 향후 포부를 밝혔다.



[고압 하에서 실리콘 나노시트가 나노와이어로 변형됨을 보여주는 그림] 

다이아몬드 앤빌셀을 통해 대기압의 수십만 배까지 압력을 높이고 방사광가속기에서 만들어 낸 밝은 빛과 첨단 전자현미경을 이용하여 물질의 상태를 연구한다. 

 

vol. 620
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