“두 소재가 만나는 경계면은 신소재의 보고”

상호작용으로 새로운 기능 생겨
1만번 충전가능 ‘슈퍼 축전기’ 등… 김광호 교수팀, 신기술 잇달아 개발

‘하이브리드 인터페이스 기반 미래소재 연구단’을 이끄는 김광호 부산대 재료공학부 교수. 경계면을 관찰하려면 전자현미경이 필수다. 부산=신선미 동아사이언스 기자 vamie@donga.com

“두 소재의 경계면에서는 기존에 없던 새로운 물리화학적 특성이 나타납니다. 최근 신소재 개발 패러다임은 경계면 연구로 넘어왔습니다.”

김광호 부산대 재료공학부 교수는 서로 다른 두 소재가 만나는 경계면 즉 ‘인터페이스(interface)’ 연구에서 국내 일인자로 꼽힌다. 김 교수는 “기술 혁신의 시작은 신소재 개발”이라며 “세계적인 연구 그룹들의 선점 경쟁이 치열하다”고 말했다.

김 교수가 경계면 연구를 시작한 때는 2000년대 초로 거슬러 올라간다. 당시 그는 절삭공구의 코팅 막으로 사용하는 질화티타늄(TiN)에 실리콘(Si)을 첨가한 복합소재를 연구했는데, 이때 두 소재가 만나는 경계면에서 각 소재의 강도를 뛰어넘는 ‘초경도 현상(super hardness)’을 발견했다.

2008년 미국 브룩헤이븐 국립연구소도 영하 223도의 극저온에서 절연체와 금속성 물질의 경계면에서 초전도성이 나타난다는 사실을 발견해 과학 학술지 ‘네이처’에 발표했다. 이때까지만 해도 학계에는 두 소재의 경계면에서 특수한 성질이 생긴다는 정도만 알려졌을 뿐 왜 이런 특성이 나타나는지, 어떻게 활용할지 앞서나가는 연구가 없었다.

2012년 김 교수는 경계면 연구에 본격적으로 뛰어들었다. 가로 세로 높이가 각각 10나노미터(nm·10억분의 1m)인 경계면에 들어 있는 원자는 100만 개를 넘는다. 김 교수팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 활용해 전자의 움직임을 계산하고 그 결과를 토대로 경계면의 물리화학적 특성을 하나둘 밝혀내기 시작했다. 현재 경계면 연구에서는 김 교수팀이 독보적이다.

그 덕분에 김 교수는 지난해 경계면만 집중적으로 연구할 수 있는 글로벌프런티어사업단인 ‘하이브리드 인터페이스 기반 미래소재 연구단’ 단장으로 선정됐다. 미래창조과학부는 지난해 연구단에 연구비 35억 원을 지원한 데 이어 2022년까지 연간 100억∼120억 원을 투입한다.

연구단은 출범 1년 만에 굵직굵직한 성과를 쏟아내고 있다. 지난달에는 금속유기체에 그래핀을 붙여 기존보다 에너지를 6배 더 저장할 수 있는 ‘슈퍼 축전기’를 개발했다. 이 축전기는 충·방전을 1만 번 이상 반복해도 성능이 유지돼 전기자동차에 활용될 소지가 높다.

4월에는 5nm급 초미세회로를 제작할 수 있는 기술도 개발했다. 그간 반도체를 설계할 때는 회로 선폭 10nm가 반도체 공정의 한계로 여겨져 왔는데, 그 한계를 인터페이스 연구로 뛰어넘은 것이다.

하이브리드 인터페이스 소재는 친환경 에너지 연구에도 활용된다. 연구팀은 식물의 엽록소에 은 나노입자를 붙여 기존 태양전지보다 효율이 2배 높은 태양전지를 제작했다. 또 폴리머구슬과 산화구리를 붙인 소재를 촉매로 써서 햇빛으로 물을 전기분해하는 수소전극을 개발했다. 수소는 수증기 이외에는 어떤 물질도 배출하지 않는 청정 연료다. 수소 전극이 상용화되면 공해 없이 수소를 생산할 수 있다.

김 단장은 “하이브리드 인터페이스 연구로 개발한 신소재는 배터리, 반도체, 의료기기 등 활용 분야가 무궁무진하다”고 말했다

부산=신선미 동아사이언스 기자 vamie@donga.com