국내 연구진, 층상구조 란타늄 니켈 산화물 박막 합성 성공
산화물 분자선 증착 기술 개선…균일한 특성 가진 나노 박막 제조 가능
물질 합성에 적용…신물질 개발 앞당길 것으로 기대

국내 연구진이 해외 연구진과 공동으로 신물질 개발에 이용되는 정밀한 원자 적층 기술을 개발하고 이를 활용해 연료전지, 열전체, 초전도체 등에 활용되는 물질 합성에 성공했다.

한국원자력연구원(원장 김종경)은 이준혁 중성자과학연구부 선임연구원과 미국 알곤국립연구소 존 프리랜드·딜런 퐁 연구팀, 위스콘신주립대 데인 몰간 연구팀이 원자층을 한 층씩 쌓아 나노미터(nm) 단위의 박막을 만드는 산화물 분자선 증착 기술을 개선하고, 세계 최초로 층상구조 형태의 단결정 란타늄 니켈 산화물 박막 합성에 성공했다고 18일 밝혔다.

연구팀은 층상구조 형태의 스트론튬 티타늄 산화물의 개별 산화물층을 쌓으면서 X-선으로 측정한 결과, 산화물 원자층의 자리가 바뀌는 것을 확인했다. <자료=한국원자력연구원 제공>
연구팀은 층상구조 형태의 스트론튬 티타늄 산화물의 개별 산화물층을 쌓으면서 X-선으로 측정한 결과, 산화물 원자층의 자리가 바뀌는 것을 확인했다. <자료=한국원자력연구원 제공>

란타늄 니켈 산화물은 이온전도성과 촉매반응성이 뛰어나 전극, 촉매 등의 에너지 분야 소재로 사용하기 위한 연구가 활발하다. 하지만 결정 배열이 불규칙하고 크기가 커질 수록 특성이 규칙적이지 않아 박막물질과 합성 등을 통한 소재 개발에 어려움이 있었다.

연구팀은 미국 알곤국립연구소 방사광가속기에 새롭게 설치한 '산화물 분자선 증착 장치(Oxide MBE·Oxide Molecular Beam Epitaxy)'를 이용해 산화물 원자층이 쌓이는 과정을 실시간으로 관찰하고, 이 과정에서 일부 원자층의 순서가 고정되지 않고 뒤바뀌는 '층간 자발적 재배열 현상'을 밝혀냈다.

이 현상을 응용해 란타늄 산화룸과 니켈 산화물의 원자층을 쌓는 순서를 조작해 층상구조 형태의 단결정 란타늄 니켈 산화물 박막을 합성했다.

세계 최초로 합성한 층상구조 형태의 단결정 란타늄 니켈 산화물 박막의 X-선 흡광 결과. <자료=한국원자력연구원 제공>
세계 최초로 합성한 층상구조 형태의 단결정 란타늄 니켈 산화물 박막의 X-선 흡광 결과. <자료=한국원자력연구원 제공>

이준혁 선임연구원은 "이번 연구 결과를 통해 원자층을 보다 정밀하게 조작할 수 있으며, 다른 물질 합성에도 적용해 기초과학 및 산업 분야에 광범위하게 활용될 신물질 개발에 기여할 것"이라고 밝혔다.

원자력연은 연구용 원자로 하나로(HANARO)의 냉중성자 연구시설에 구축된 중성자 반사율 측정장치(REF-V) 등을 이용해 이번 연구결과를 층상구조 물질의 구조 변화, 물성 측정 등 신물질 연구에 적용하고 확대해 나갈 계획이다.

이번 연구결과는 '네이버 머티리얼스(Nature Materials)' 온라인판 3일자에 게재됐다.

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