[이데일리 이승현 기자] 기초과학연구원(IBS) 연구진이 그래핀을 활용해 3차원으로만 존재가 가능한 철 원자 배열을 2차원 구조로 구현하는 데 성공했다.

마크 러멜리 IBS 그룹리더

미래창조과학부는 IBS 나노구조물리연구단(이영희 단장)의 마크 러멜리 그룹리더팀이 투과형 전자현미경(TEM)을 이용, 그래핀에 기공을 만든 뒤 내부에 철 원자를 이동시켜 2차원의 단일층 금속박막을 만들었다고 14일 밝혔다.

연구진은 이렇게 구현된 철 원자막은 지금까지 알려진 원자 간 간격과는 현저히 차이가 나며 3차원 구조와는 다른 물성을 갖는다는 사실을 규명했다.

이번 연구성과는 미국과학진흥협회가 발간하는 세계 최고 권위의 과학저널 ‘사이언스’지에 14일자로 게재됐다.

그래핀은 단원자 두께의 평면구조를 지닌 ‘막’형태로 2차원 구조의 물질이다. 반면 철 원자는 원자 상호간의 결합에 관여하는 힘이 상당히 큰 공유결합으로 형성되기 때문에 2차원 구조를 갖는 게 사실상 불가능하며 3차원 구조를 형성하고 있다

연구팀은 TEM으로 그래핀에 기공을 만든 뒤 철 원자가 구멍을 메워도록 해 독립된 2차원 구조의 금속막을 구현했다. 이 물질은 기존 3차원 구조가 갖는 원자 간격과 전혀 다른 결과를 갖는다. 기존 연구결과에서도 2차원 구조의 단일층 금속박막을 구현한 사례가 있지만 구리나 텅스텐 등 기판으로 지지한 것이기 때문에 완벽하게 독립된 형태의 2차원 구조로 보기는 어려웠다.

연구진이 구현한 2차원 구조의 철 단일층 금속박막은 기존 3차원 구조 물질보다 큰 폭으로 향상된 물성을 갖게 될 것으로 예상된다. 기존 자기기록에 쓰이던 물질 관련 연구에 큰 파급효과를 미칠 것으로 판단된다. 또한 광학적·전기적 물성도 기존 3차원 구조의 특성과는 다른 물성을 나타낼 것으로 보인다.

러멜리 IBS 그룹리더는 “이번 성과는 3차원 구조로만 존재하던 금속원자 배열을 독립된 2차원 구조로 구현했다는 데 의의가 있다”며 “본 원자의 배열에서 이론적 결과치로 예상되는 급격한 자기 모멘트의 향상은 앞으로 전기적·광학적·자기적인 연구와 응용에 상당한 파급효과를 미치게 될 것으로 기대된다”고 말했다.

△2차원 구조로 구현된 철 원자 배열. 미래창조과학부 제공