'1나노미터'…세계에서 가장 얇은 유리 제작

연세대-국제공동연구팀 "신물질 개발 토대"

우리나라 과학자가 이끄는 국제 공동 연구팀이 세계에서 가장 얇은 1나노미터(nm) 미만의 1차원 유리를 제작하는데 성공했다. 1nm는 10억분의 1m를 의미하며 성인 머리카락 10만분의 1 크기다. 대략 원자 3~4개를 줄지어 놓은 정도의 극미세 단위다. 신물질 개발의 토대를 만들었다는 평가다.

게르마늄 칼코겐화합물 실험 관찰 원자 이미지 및 원자 모델 모식도. (위) 투과전자현미경으로 관찰한 게르마늄 칼코겐화합물의 원자 이미지. (아래) 나노튜브 직경에 따른 사면체 결합 방식의 1차원 체인 구조 모식도. 그림출처=연세대 제공

연세대는 김관표 물리학과 교수가 알렉스 제틀 미국 버클리 캘리포니아대 교수 연구팀 등과 국제 공동 연구를 통해 사면체 구조의 결합 방식을 제어한 1차원 게르마늄(Ge)-황(S) 구조체를 최초로 합성해 학계에 보고했다고 10일 밝혔다.

산화규소(SiO2)는 규소-산소 사면체(tetrahedral)가 서로 연결된 구조를 갖고 있으며, 사면체 사이의 결합 방식 변화에 따라 다양한 3차원의 구조체를 형성할 수 있다. 결합이 규칙적이면 석영 결정(crystal)이 형성되며, 결합이 매우 불규칙한 비정질(amorphous)일 때는 일상생활에서 많이 사용되는 유리(glass)가 된다. 즉, 사면체 결합 방식을 제어하고 물성 변화를 이해하는 것은 신물질 개발로 이어질 수 있다.

연구팀은 나노튜브 합성 템플릿을 이용해 사면체 결합 방식을 제어한 게르마늄 칼코겐화합물 반도체 1차원 체인 구조체를 합성했다. 게르마늄 칼코겐화합물 역시 산화규소와 비슷한 원리로 사면체 사이 결합이 형성되며, 이에 따라 다양한 구조체를 형성할 수 있는 물질이다. 연구팀은 또 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 및 연세대 기초과학연구원 나노의학연구단의 초고분해능 투과전자현미경을 이용해 새로운 물질 구조 분석에 성공했다. 원자 단위 이미징을 통해 1 나노미터(㎚) 미만의 두께를 갖는, 세상에서 가장 얇은 1차원 게르마늄 칼코겐화합물 단일 체인 구조를 밝혀냈다.

국제공동연구팀은 또 제일원리 계산을 수행해 나노튜브의 직경에 따라 게르마늄 칼코겐화합물 사면체 결합 구조의 안정성이 달라짐을 규명했다. 이황화게르마늄(GeS2)과 이셀렌화게르마늄(GeSe2)의 조성비를 조절한 1차원 합금 체인 구조를 합성했고, 조성비 변화를 통한 밴드갭 조절이 가능함을 확인했다.

국제공동연구팀은 "원자 수준에서 사면체 구조의 결합 방식을 제어할 수 있음을 실험적으로 보였다"면서 "나노튜브 합성 템플릿을 이용한 새로운 저차원 나노물질에 대한 탐구 가능성이 기대된다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 나노 분야 국제 학술지인 ‘ACS Nano(IF 18.027)’에 지난달 26일 온라인 게재됐다.