삼성이 지원한 연구진, 세계 최초로 결정핵 생성 원리 밝혀내

반도체 소재·부품·장비 분야 원천 기술 확보 활용 가능
연구 논문, 세계적 학술지 사이언스 게재

왼쪽부터)박정원 서울대 교수, 전성호 한양대 에리카 캠퍼스 박사, 이원철 한양대 에리카 캠퍼스 교수[사진=삼성전자 제공]

[아시아경제 김흥순 기자] 삼성미래기술육성사업이 지원한 국내외 연구진이 세계 최초로 핵생성 과정을 원자 수준에서 직접 관찰하는데 성공했다. 향후 반도체 소재나 부품·장비 분야의 원천 기술을 확보하기 위한 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.

삼성전자는 29일 삼성미래기술육성사업이 지원한 박정원 서울대 교수(기초과학연구원 나노입자 연구단 연구위원)가 이원철 한양대 에리카캠퍼스 교수, 미국 로런스버클리국립연구소와 함께 물질 성장의 시작인 결정핵 생성 과정을 실험으로 검증했다고 밝혔다. 연구결과를 담은 '원자핵이 결정화되는 과정에서 일어나는 비결정상과 결정상 사이의 가역적 전이'라는 제목의 논문은 학계의 오래된 난제였던 결정핵 생성 원리를 제시한 성과를 인정받아 28일(현지시간) 세계적인 학술지 '사이언스'에 게재됐다.

원자가 모여 물질이 만들어지기 위해서는 '핵생성(nucleation)' 과정이 필요하다. 그러나 핵이 만들어지는 과정이 너무 빠르고 원자의 크기가 수 옹스트롬(1옹스트롬 = 100억분의 1m) 정도로 작아 그동안 직접 관찰하기가 힘들었다. 공동 연구팀은 원자 한 개의 두께만큼 얇은 그래핀 막 위에 금(金) 나노 결정을 합성해 세계 최고 성능의 초고속 투과전자현미경으로 핵생성 과정을 관찰하는데 성공했다.

초고속 투과전자현미경으로 관찰한 핵생성 과정[사진=삼성전자 제공]

원자들은 무질서하게 뭉친 덩어리 구조(비결정상)가 됐다가 정렬을 이루며 결정을 형성한 구조(결정상)가 되는 상태도 반복한다. 공동 연구팀은 결정의 크기가 커짐에 따라 점차 원자들이 정렬된 구조로 유지되면서 결정상의 상태가 되는 핵의 생성 과정을 밝혔다. 이는 원자들이 처음부터 규칙적으로 정렬을 이루며 결정을 형성한다는 기존 핵생성 이론과 다른 새로운 이론을 제시한 것이다.

박정원 교수는 "결정핵이 만들어지는 과정을 발견하고 이를 실험으로 검증해 고체 물질이 형성되는 과정의 근본 원리를 밝혔다"고 연구 의의를 설명했다. 이원철 교수는 "박막 증착 공정의 극히 초기 상태를 실험으로 재현했다"며 "이를 응용하면 향후 반도체 소재·부품·장비 분야의 원천 기술을 확보하는데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

박 교수는 삼성미래기술육성사업과 기초과학연구원 연구단 사업의 지원을, 이 교수는 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21(BK21) 사업의 지원을 받아 이번 연구를 수행했다. 삼성전자는 과학기술 연구 분야 육성·지원을 목표로 2013년부터 1조5000억원을 출연해 삼성미래기술육성사업을 시행하고 있다. 지금까지 634개 과제에 연구비 8125억원을 지원했다.

김흥순 기자 sport@asiae.co.kr