나노스케일에서 재료의 변형 및 파괴 거동은 재료공학, 기계공학 분야에서 오랜 기간 연구되어온 주제로서, 최근 환경변화를 감지하는 압력 센서 및 반도체 소자 등 저차원 나노재료의 다양한 응용연구에 힘입어 활발한 연구가 이루어지고 있다. 특히, 재료에 영구적인 변형을 일으키는 전위*의 생성과 움직임은 재료의 기계적 물성을 결정짓는 매우 중요한 인자이다. 더욱이 나노재료에서는 작은 크기로 인해 소성변형이 시작됨과 동시에 파괴로 이어지는 경우가 많아 변형 초기에 전위가 생성되고 움직이는 현상을 관찰하는 것이 중요하다. 

나노재료에서 전위에 의한 소성 변형이 어떻게 시작하는지에 대한 연구는 지난 2-30년간 활발히 진행되어 왔다. 원자 시뮬레이션에 의하면 소성변형은 수 나노미터 크기의 매우 작은 전위루프에 의해 시작된다고 알려졌다. 하지만 최초의 전위가 어떻게 생성되고 어떻게 움직이는지, 그리고 재료의 강도 및 강화 메커니즘에 어떻게 영향을 주는지에 관한 실험적 관찰은 전무하다시피 하였다. 나노재료의 더 깊은 이해와 응용을 위해서는 전위의 직접 관찰을 통한 분석이 필수적이며, 이를 위해서는 전위를 직접 관찰할 수 있는 유일한 실험 방법인 실시간 투과전자현미경 실험법이 요구된다

에너지과학과 오상호 교수와 기초과학연구원 나노구조물리연구단 이수빈 박사 연구팀은 재료의 내부를 백만 배 이상까지 확대할 수 있는 투과전자현미경을 이용하여 나노미터 수준에서 재료가 변형되는 순간을 포착하였다. 연구팀은 실시간 투과전자현미경 실험을 이용하여 금 나노선을 나노인덴테이션(Nanoindentation) 방법으로 변형함과 동시에 전위의 생성에 의한 초기 소성변형 과정을 직접 관찰하는데 성공하였다고 밝혔다. 

초당 25프레임의 고속 카메라로 촬영한 결과, 수 나노미터의 작은 전위루프들이 수 십분의 1초에 생성되는 것을 관찰되었다. 전위루프는 먼저 작은 전위선의 생성으로 시작되고, 이후 다른 슬립면으로 이동하는 교차슬립 (Cross slip)을 거쳐 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이 과정에서 접촉면에 따라 전위선의 생성과 교차슬립이 경쟁적으로 작용하여 다른 변형 메커니즘으로 발현되는 것을 확인하였다. 작은 접촉면의 경우 힘을 받으면 작은 크기의 전위루프가 빠르게 형성되는 반면, 접촉면적이 크면 전위루프 생성에 더 많은 에너지가 필요하여, 교차슬립이 더욱 활발하게 일어나서 나선형 전위가 형성됨을 관찰하였다. 본 결과는 재료 변형 거동의 근본적인 이해를 돕는 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 반도체, 센서, 에너지하베스팅 등의 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

본 연구 성과는 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 5월 12일 게재됐다.

[그림. 소성변형이 시작되는 순간 형성되는 전위루프. 금 나노선의 실시간 투과전자현미경 나노인덴테이션 변형실험으로부터 초기 소성변형 과정에서 형성되는 전위루프의 생성 과정을 관찰한 실험 결과 및 원자 시뮬레이션 결과.