삼성이 또 일냈다… 국내 연구진, ‘결정핵 탄생 순간’ 세계 최초 관찰 성공

한국 연구진이 핵이 생성되는 과정을 세계에서 최초로 관찰하는 데 성공했다는 소식이다.
기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 원자가 모여 결정을 이루는 ‘핵 생성'(nucleation) 과정을 세계 최초로 관찰해냈다고 29일 밝혔다.
IBS 연구팀과 한양대 에리카캠퍼스 이원철 교수팀, 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL)가 공동 진행한 이번 연구 결과는 세계적 유명 학술지 ‘사이언스'(Science) 이날 자 게재되는 쾌거를 이뤘다.
원자의 크기는 수 옹스트롬(Å·백억분의 1m) 수준으로 작으며, 그렇게 작은 원자는 밀리초(ms·1000분의 1초) 단위로 매우 빠르게 움직인다. 따라서 기존 기술로는 핵생성 과정을 직접 관찰하기 어려웠다. 핵생성 메커니즘을 설명하는 여러 이론이 등장했지만, 이를 실험을 통해 증명해내기엔 한계가 있었던 것.

공동연구진은 핵생성 과정을 원자 수준에서 실시간으로 관찰하기 위해 실험을 설계했다. 우선 원자 한 개 두께의 얇은 그래픽 막을 두고, 그 위에 전자빔을 받으면 금 원자를 방출하는 나노 물질을 합성했다.
이후 미국 로렌스버클리국립연구소가 보유한 세계 최고 성능의 투과전자현미경(TEM)을 이용, 합성된 시편의 금 결정 형성 과정을 실시간으로 관찰했다.
이후 결정핵의 크기가 성장함에 따라, 가역적인 반응은 곧 비가역적으로 변했다. 이는 결정핵이 처음부터 규칙적으로 정렬된 결정상으로 성장한다는 전통적 핵생성 이론을 뒤집는 결과다.
또 연구진은 결정핵의 크기가 성장함에 점점 결정상 상태로 머무를 확률이 높아진다는 점도 확인했다. 지름이 약 1nm일 때는 10%의 확률로 결정상 상태를 가졌으나, 지름이 약 2nm를 넘어가면 90% 이상의 높은 확률로 결정상으로 존재한 것. 초기에는 대부분 비결정상이었던 결정핵이 성장을 거듭하며 최종적으로는 결정상 상태를 이루는 것이다.
이밖에 연구진은 결정핵이 결정상으로 머무르는 시간이 길수록 더 큰 크기의 나노결정이 형성된다는 사실 역시 확인했다. 예를 들어 2nm²면적의 나노결정이 형성될 때는 절반 정도의 시간만 결정상 형태로 존재했으나, 4nm² 면적의 나노결정이 형성될 때 결정핵은 대부분의 시간을 결정상 형태로 존재했다.

박정원 연구위원은 “핵 생성 과정의 새로운 원리를 발견함과 동시에 이를 실험적으로 검증했다”며 “원자 몇 개가 뭉친 초기 단계에서는 결정상과 비결정상을 오가는데 필요한 에너지가 적어 두 상태를 반복하게 된다”고 실험에 대해 설명했다.
이원철 교수는 “박막 증착 공정의 극초기 상태를 실험적으로 재현하는 데 성공했다”며 “반도체 소재 분야 원천기술 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구에는 삼성전자(82,000 -2.03%)가 삼성미래기술육성사업을 통해 힘을 보탰다. 삼성미래기술육성사업은 2013년부터 10년간 1조5000억원을 들여 기초과학, 소재기술, 정보통신기술(ICT) 등 다양한 연구 분야에서 매년 3차례(상·하반기 자유공모, 연 1회 지정테마) 과제를 선정해 지원하는 공익 사업이다.