약점을 기회로 활용… 지금껏 보고된 적 없는 새로운 구조 탄생
사과 맛과 딸기 맛을 모두 즐길 수 있는 유명 아이스크림처럼, 베베 꼬인 형태의 새로운 소재가 개발됐다.

이종훈 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더(UNIST 신소재공학부 교수) 팀은 2차원 육방정계 질화붕소(h-BN, hexagonal Boron Nitride)를 이중나선 구조로 성장시키는 데 성공했다.

육방정계 질화붕소는 그래핀과 유사한 육각형 구조를 가지면서도 하얀색을 띄어 ‘화이트 그래핀’으로도 불린다. 전기가 통하지 않는 대표적인 2차원 부도체 물질이다. 열에 강하고, 방사능도 막을 수 있어 전자기기는 물론 비행기, 우주선과 같은 가볍고 열‧화학적 안정성이 요구되는 분야에 두루 활용될 것으로 기대되고 있다.

연구진은 단결정 육방정계 질화붕소를 성장시키던 중 우연히 두개의 결정이 서로 꼬이며 성장하는 ‘이중나선 육방정계 질화붕소’를 발견했다. 격자구조가 서로 반대인 두 개의 결정이 맞닿은 역위상 경계(Antiphase Boundary)에서 두 결정이 서로를 휘감으며 지금껏 보고된 적 없는 새로운 구조로 성장함을 발견한 것이다.

연구의 제1저자인 박효주 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 “지금까지 2차원 재료 성장 과정에서 역위상 경계는 결함으로 여겨졌다”며 “결함을 역으로 활용해 새로운 구조 및 물성을 가진 신소재를 개발한 것”이라고 설명했다.

이후 연구진은 투과전자현미경(TEM)을 이용한 관찰 및 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이중나선구조의 형성 메커니즘을 원자 수준에서 분석했다. 그 결과, 역위상 경계에서 발생하는 두 개의 나사 전위(Screw Dislocation) 쌍이 뒤얽힌 이중나선구조를 형성시킴을 확인했다. 이로 인해 이중나선 질화붕소는 단일 나선으로는 형성할 수 없는 안정한 적층 구조를 유지할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

연구를 이끈 이종훈 그룹리더는 “다층의 질화붕소를 성장시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다는 학술적 의미가 있다”며 “결함이 기회로 작용할 수 있다는 시선을 제시한 것으로, 향후 다양한 형태의 2차원 물질 합성에 적용해볼 계획”이라고 말했다.

연구결과는 나노 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월호 표지논문으로 실렸다.