액체 상태 물질, 원자 단위까지 관찰한다

UNIST 진성환 교수팀
나노재료 관찰·분석기술 개발
차세대 배터리 물질 연구 등 활용

질화 실리콘 막의 원하는 위치에 수백 나노미터 크기로 구멍을 일정하게 뚫은 뒤 단결정 그래핀을 합성해 코팅한 모습. UNIST 제공

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 진성환 교수팀이 '액체 상태의 물질'이 움직이는 모습을 원자 단위까지 관찰할 수 있는 새로운 액체 캡슐을 만들었다. 이 캡슐은 단결정 그래핀으로 만들어 기존에 사용하는 막보다 100배 얇으면서도 강도는 3배 더 높다. 그결과, 지금까지는 '투과전자현미경(TEM)'으로 보지 못했던 고해상도의 이미지까지 얻어낼 수 있었다.

진성환 교수는 12일 "이 액체 캡슐로 새로운 화학물질 뿐만아니라 생물학의 바이러스, 세포 및 고분자 등 다양한 나노 재료를 관찰하고 분석하는 데에 활용할 수 있다"고 설명했다.

TEM은 전자빔을 쏘아서 물질을 관찰하는 현미경으로, 광학현미경보다 수천 배가량 높은 배율로 물질을 관찰할 수 있다. 그러나 관찰대상이 액체일 경우 증발되지 않도록 높은 진공상태에 둬야 한다. 이 때문에 약 50나노미터(㎚) 두께의 '질화 실리콘 막'이나 탄소 원자 하나 두께의 '그래핀'을 이용해 액체를 감싸서 내부 물질을 분석해왔다.

하지만 질화 실리콘 막의 두께는 관찰대상을 가리는 수준이라 해상도 높은 이미지를 얻기 어려웠다. 또 그래핀을 사용할 경우 액체를 가두는 부분의 모양과 위치, 크기가 달라져 일정한 조건에서 물질 관찰이 어려웠다.

연구진은 차세대 배터리 물질을 찾아내기 위해 TEM으로 물질을 속속들이 들여다보는 방법에 집중했다. 이를 해결하기 위해 질화 실리콘 막의 원하는 위치에 수백 나노미터 크기로 구멍을 일정하게 뚫은 뒤 단결정 그래핀을 합성해 코팅했다. 2개의 막 사이에 액체를 두고 겹치면, 액체가 구멍을 덮은 그래핀 두 막을 위아래로 부풀리면서 그래핀 사이에 가둬진다.

진 교수는 "질화 실리콘 막보다 100배 얇고 3배 이상 강한 단결정 그래핀을 사용해 액체를 가둠으로써 TEM 이미지의 해상도를 극대화할 수 있었다"며 "액체 캡슐의 크기와 위치, 모양을 자유롭게 조절해 동일 액체 조건에서 물질을 여러 차례 관찰할 수 있다"고 설명했다.

또한 이현욱 교수는 "그간 관찰하지 못했던 가벼운 화합물의 액상 합성과정과 운동 메커니즘을 명확히 밝혀 배터리 물질 개발에 속도를 더할 것"이라고 기대했다.

한편, 연구진은 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장과 함께 이번 연구를 진행해 최근 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 발표했다.