오상호 교수팀, 금 나노선 고무줄 특성 규명

실시간 투과전자현미경 이용해 밝혀

오상호 교수(왼쪽)와 이수빈 박사과정 연구원

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 국제 공동연구를 통해 금 나노선의 고무줄 특성을 규명했다.

미래창조과학부는 오상호 포항공대 신소재공학과 교수 연구팀이 머리카락보다 300배 가느다란 금 나노선이 고무줄처럼 늘어났다 다시 줄어들 수 있다는 연구결과를 선보였다고 21일 밝혔다.

금 나노선이 이같은 변형복원력까지 갖출 경우 초미세 에너지 저장장치, 형상기억 소자, 센서 등으로의 다양한 응용이 가능할 것으로 예상된다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 KAIST, 독일 에를랑겐 대학교, 막스플랑크 연구소 및 오스트리아 레오벤 대학교 등과 함께 수행했다.

연구결과는 네이처 커뮤니케이션스지 8일자에 게재됐다.

금속 나노선은 이론적으로 최대의 기계적 강도를 나타낼 수 있는 구조로 주목받고 있지만 실험적인 제약으로 컴퓨터 시뮬레이션에 의존해 변형특성에 대한 연구가 이뤄져 왔다.

때문에 나노선이 가늘어질수록 강해지는 반면 원하는 형태로의 가공이 어려워지는 원인을 밝히기 위해 나노선의 변형과정을 실시간으로 관찰하는 것이 관건이었다.

연구팀은 금 나노선을 3~4회 잡아 당기고 압축시키기를 반복한 결과 금 나노선이 원래 길이보다 40% 길어졌다가 다시 원래 길이로 줄어드는 복원성을 갖는 것을 실시간으로 확인했다.

시뮬레이션으로만 예측됐던 금속 나노선의 가역적인 변형이 실험적으로 확인되면서 단단하면서도 반복적으로 변형이 가능한 금 나노선의 장점을 그대로 살린 초미세 센서, 형상기억 소자, 에너지 저장장치과 같은 나노소자로의 응용이 기대된다.

연구팀은 실시간 투과전자현미경을 이용한 변형실험을 통해 금 나노선의 이같은 변형복원력이 물질 내부결함의 일종인 전위가 선형적으로 전파되거나 이차원적으로 움직이면서 형성되는 나노선 내부 쌍정 때문임을 알아냈다.

나노선을 잡아 당기면 쌍정이 만들어지고 다시 압축시키면 쌍정이 사라져 길이가 늘어났다 다시 줄어들 수 있다는 설명이다.

오상호 교수는 “나노크기의 금속물질이 최대 40% 정도의 큰 변형량을 반복적으로 수용할 수 있다는 연구결과를 토대로 나노재료의 성능과 특성을 실시간 분석하는 연구를 계속할 계획”이라고 밝혔다.

금 나노선의 반복적인 소성변형 거동, 금 나노선을 당겼다가 다시 압축하였을 때 금 나노선이 변형됐다가 원래 형태로 돌아가는 과정을 보여준다. 1)에서처럼 처음엔 내부에 결함이 없이 균일한 형태이던 나노선이 먼저 인장응력을 받으면 2), 4), 5)에서 보듯 나노선 내부에 어둡게 보이는 쌍정이 형성된다. 다시 압축응력을 가하면 6)과 같이 쌍정이 사라지면서 처음처럼 내부가 균일한 형태로 돌아간다.