2차원 물질서 새로운 균열현상 발견

기초과학연구원 이영희 단장 연구팀

국내 연구진이 2차원 물질을 이용한 실험에서 물질에 힘을 가하면 미세하게 늘어나다가 균열이 생기거나 즉각 균열이 생긴다는 기존 이론과는 다른 새로운 균열현상을 발견했다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구팀은 18일 투과전자현미경(TEM)을 이용해 차세대 반도체 소재로 주목받는 2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에서 일어나는 수나노미터(㎚=10억분의 1m) 단위의 균열현상을 관측해냈다고 밝혔다.

2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 힘을 가할 때 발생하는 균열 모습. 초록색 점은 몰리브덴(Mo) 원자이고 붉은색과 보라색 점은 힘이 가해진 방향의 수직 방향으로 생긴 전위(dislocation)를 나타낸다. ⓒ IBS

2차원 이황화몰리브덴(MoS₂)에 힘을 가할 때 발생하는 균열 모습. 초록색 점은 몰리브덴(Mo) 원자이고 붉은색과 보라색 점은 힘이 가해진 방향의 수직 방향으로 생긴 전위(dislocation)를 나타낸다. ⓒ IBS

균열은 재료의 파괴신호로 외부자극 등을 받은 물질 내에서 무질서하게 생긴다. 플라스틱처럼 힘을 가하면 수마이크로미터(μm=100만분의 1m) 이상 늘어나다 균열이 생기는 연성균열과 세라믹처럼 힘을 가한 즉시 늘어나지 않고 균열이 생기는 취성균열로 나뉜다.

지난 반세기 동안 마이크로미터 크기 이상의 물질에서 일어나는 균열은 연속체 이론과 밀도, 경도 등 물리적 요소들로 설명이 가능했다. 그러나 최근 소재 연구가 나노미터 영역으로 확대되면서 연속체 이론으로 균열현상을 설명하기 힘들어졌다.

연구진은 이 연구에서 2차원 이황화몰리브덴에 힘을 가하면 원자들의 위치 변화(전위.dislocation)가 생기며 균열이 생긴다는 사실을 처음 밝혀냈다.

TEM 전자빔으로 자극한 부위에 생기는 전위는 5㎚ 이내 영역까지 늘어나다 균열이 생기고 균열은 수nm 마다 120도 방향전환을 지속했다. 산화된 시료는 늘어나는 영역이 10nm까지 커졌다. 이는 크기가 큰 이황와몰리브덴 물체에 힘을 가할 때 취성균열이 일어나는 것과는 다른 현상이다.

연구진은 “이런 현상은 기존의 균열로 단정할 수 없는 중간적 현상으로 연속체 이론으로는 설명이 불가능해 나노 영역에서의 균열현상을 설명할 새로운 이론 정립이 필요하다”며 “기존 연속체 이론을 보완해 나노 영역에서의 균열을 설명할 수 있는 중요한 실마리를 찾은 것이라고 설명했다.

이영희 단장은 “이번 연구 결과로 볼 때 2차원 물질의 균열현상은 기존 3차원 물질의 균열과는 근본적으로 달라 기존 연속체이론 수정이 불가피하다”며 “이런 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론 정립을 위한 후속연구를 진행 중”이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications. 1월 18일자) 온라인판에 게재됐다.

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