한 장의 2차원 이황화몰리브덴에 힘을 가할 때 발생하는 균열을 관측한 투과전자현미경 사진.© News1

1912년 북대서양에서 빙산과 부딪혀 침몰한 타이타닉호, 1994년 붕괴된 성수대교 등 대형 참사는 균열에 의한 파괴가 가져온 결과이다.18일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 물질의 균열은 크게 연성 균열과 취성 균열로 나뉜다. 연성 균열물질은 플라스틱 등이 있는데 힘을 가하면 수μm(마이크로미터, 1μm=100만분의 1m) 이상 늘어나다 균열이 생긴다.

반면 취성 균열물질은 힘을 가한 즉시 늘어나지 않고 균열이 발생한다. 대표적인 물질로 세라믹이 있다.

지난 반세기 동안 μm 크기 이상의 물질에서 일어나는 균열은 연속체 이론과 밀도, 경도 등 물리적 요소들로 설명이 가능했다.

그러나 최근 소재 연구가 nm(나노미터, 1nm=10억분의 1m) 영역으로 확대되면서 연속체 이론으로 균열 현상을 설명하기 힘들어졌다.나노소재와 벌크소재는 같은 원자들로 구성됐지만 물리적 성질이 완전히 다르기 때문.

이와 관련, 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단은 원자 단위에서 균열 정보를 확보하는데 성공했다.

연구진은 투과전자현미경(TEM)을 이용, 2차원 이황화몰리브덴에서 일어나는 균열을 nm 단위에서 관측해냈다.

이를 통해 연구진은 기존의 연속체 이론을 보완해 나노 영역에서의 균열을 설명할 수 있는 중요한 실마리를 찾았다.

2차원 이황화몰리브덴은 힘을 가하면 전위(dislocation)가 생기며 균열을 한다는 사실이 처음 밝혀진 것.

이 같은 사실은 벌크 이황화몰리브덴의 경우 힘을 가하면 취성 균열하는 것과는 대조적이다.

이황화몰리브덴은 차세대 반도체 소재로 주목받고 있어 2차원 이황화몰리브덴의 균열 현상에 대한 규명은 추후 활용을 확대하는 데에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

이영희 단장은 “이번 연구 결과로 볼 때 2차원 물질의 균열 현상은 기존 3차원 물질의 균열과는 근본적으로 달라서 기존 연속체 이론 수정이 불가피하다”며 “이 같은 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론 정립을 위한 후속연구를 진행 중”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.470)’ 1월18일자에 게재됐다.


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