“원자 단위에서 균열을 잡다”

IBS, 차세대 소재 2차원 이황화몰리브덴에서 새로운 균열현상 발견

원자 단위에서 ‘균열’ 정보가 잡혔다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단(단장 이영희)이 투과전자현미경(TEM)을 이용해 2차원 이황화몰리브덴에서 일어나는 균열을 나노미터(nmㆍ10억 분의 1m) 단위에서 관측해 원자 단위에서 균열 정보를 확보하는 데 성공했다고 18일 밝혔다.

물질의 균열은 쉽게 연성 균열과 취성 균열로 나뉜다.

연성 균열물질은 플라스틱처럼 힘을 가하면 수 마이크로미터(μmㆍ100만 분의 1m) 이상 늘어나다 균열이 생기며, 취성 균열물질은 세라믹처럼 힘을 가한 즉시 늘어나지 않고 균열이 발생한다.

지금까지 마이크로미터 크기 이상의 물질에서 일어나는 균열은 연속체 이론ㆍ밀도ㆍ경도 등 물리적 요소들로 설명할 수 있었다.

하지만, 최근 소재 연구가 나노미터 영역으로 확대돼 연속체 이론으로 균열 현상을 설명하기 어려워졌다.

나노(Nano)소재와 벌크(Bulk)소재는 같은 원자로 구성됐을지라도 물리적 성질은 다르기 때문이다.

이번 연구 성과는 나노 영역에서의 균열을 설명할 수 있는 중요한 실마리가 된다.

연구진은 2차원 이황화몰리브덴은 힘을 가하면 전위(dislocation)가 생겨 균열이 생긴다는 사실을 확인했다.

벌크 이황화몰리브덴은 힘을 가하면 취성 균열하는 것과는 대조적이다.

TEM의 전자빔으로 자극한 부위에 생긴 전위는 5nm 이내의 영역까지 늘어난 후 균열이 생긴다.

균열은 수 nm마다 120°방향전환을 지속했으며, 산화된 시료는 늘어나는 영역이 10nm까지 커졌다.

이는 기존의 균열로 단정할 수 없는 중간적 현상으로 연속체 이론으로는 설명이 가능하지 않다.

따라서 실험 결과를 분석해 나노 영역에서의 균열 현상을 설명할 새로운 이론 정립이 필요한 상황이다.

이영희 단장은 “이번 연구결과로 2차원 물질의 균열 현상은 기존 3차원 물질의 균열과는 근본적으로 달라 기존 연속체 이론 수정이 불가피하다”며 “이러한 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론 정립을 위한 후속연구를 진행 중”이라고 밝혔다.

이황화몰리브덴은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있어 2차원 이황화몰리브덴의 균열 현상은 추후 활용을 확대하는 데에도 이바지할 것으로 전망된다.

이번 연구 성과는 IBS나노구조물리 연구단 이영희 연구단장, Zhao Jiong 박사, Ly Thuc Hue 박사가 연구를 함께 수행한 결과로 18일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@