▲ 위쪽은 그래핀의 555-777 구조결함 위의 매개 원자 (빨간색) 에 의해 구조 변환이 일어나는 모습.(사진제공=서울대 신소재공동연구소)     © 한국에너지절약신문

서울대학교 신소재공동연구소 이건도 연구교수와 재료공학부 윤의준 교수, 주영창 교수 팀은 대표적인 이차원 물질인 그래핀에서 물질 내에 존재하는 구조 결함(structural defect)을 빠르게 정상 구조로 변환시키는 매개원자(mediator atom)의 존재와 역할을 규명하였다고 6월 11일 밝혔다. 육각형의 완전한 그래핀 구조를 형성시켜 전기전도성과 같은 물리적 성질을 향상시킬 기술이다.

이차원 물질에 존재하는 구조 결함은 물질의 성능을 저하시키는 요인으로 전기전도도가 떨어지는 것이 대표적인 예다. 이를 개선시키기 위해 그동안 많은 연구가 이루어져 왔으며 그래핀의 경우 이 구조 결함의 변화가 탄소와 탄소 원자의 회전에 의해 일어난다고 알려져 있었다.

그러나 서울대 연구팀은 슈퍼컴퓨터를 이용한 전산 모사 결과, 기존의 회전에 의한 변환보다 매개 원자에 의해 1/5 정도 작은 에너지에도 쉽게 구조 결함의 변환이 일어날 수 있음을 확인했다.

그래핀에서 빈자리(vacancy) 혹은 여분의 탄소 원자가 존재하는 경우 불완전한 결합을 이루며 이 불완전한 탄소 원자는 그래핀 위에서 빠르게 움직이며 다른 탄소와의 결합을 끊고 연결하는 역할을 반복하면서 안정된 정상 구조로의 변화를 이끈다. 이것은 마치 벌집모양의 육각형 그물 구조 위에서 벌꿀들이 부지런히 움직이면서 일하는 것에 비유할 수 있다.

이 연구는 영국 옥스포드대 Alex Robertson 박사와 미국 텍사스 대학교 Jamie Warner 교수 그리고 일본 AIST에 Kazu Suenaga 박사 등 세계적인 투과 전자 현미경 그룹과 공동연구를 통해 이 매개 원자의 존재를 실험적으로도 입증했다.

이 연구는 불완전한 탄소 원자가 그래핀 위를 빠르게 움직이며 구조 결함을 안정적인 구조로 변환시키는 매개 원자의 역할을 하는 것이 이론적, 실험적으로 동시에 입증된 것에 의미가 있다.

이건도 연구교수는 “매개 원자 메커니즘을 이용하면 더 좋은 성능의 이차원 물질을 제작할 수 있을 뿐 아니라 구조 결함을 제어하여 특별한 성능의 전자 소자로의 응용도 가능하게 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부가 추진하는 중견 연구자 지원사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행되었고 KISTI 국가슈퍼컴퓨팅센터의 R&D 혁신지원 프로그램으로 수행되었다.

연구 결과는 세계적 학술지인 Science의 자매지인 Science Advances 6월 10일(현지시간) 온라인 판에 ‘Direct Observation and Catalytic Role of Mediator Atom in 2D Materials’라는 제목으로 게재되었다.
/박소원 기자