초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
○ 서브나노 크기의 confined space에서 나타나는 물질의 새로운 현상과 특성을 발견하고 이에 담긴 mechanism을 밝힘.

□ 전체 내용
○ 주로 탄소 동소체인 CNT, 그래핀, 비정질 탄소나 그 외 서브 나노 크기의 confined space를 가지는 물질 내부에서 일어나는 흥미로운 현상에 대한 제일원리계산 연구를 수행.
○ 대상 물질이 서브나노 크기의 confined space 내부에 존재할 때 일어나는 기본물성의 변화, 상전이 현상, 전자구조

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
○ 서브나노 크기의 confined space에서 나타나는 물질의 새로운 현상과 특성을 발견하고 이에 담긴 mechanism을 밝힘.

□ 전체 내용
○ 주로 탄소 동소체인 CNT, 그래핀, 비정질 탄소나 그 외 서브 나노 크기의 confined space를 가지는 물질 내부에서 일어나는 흥미로운 현상에 대한 제일원리계산 연구를 수행.
○ 대상 물질이 서브나노 크기의 confined space 내부에 존재할 때 일어나는 기본물성의 변화, 상전이 현상, 전자구조의 변화 등에 관한 연구 및 이러한 흥미로운 현상들이 일어나는 근본 원리에 대한 검증을 수행.
○ 기초선행연구에서 발견한 이중층 그래핀 내부에서 수소의 고체화에 대한 심도 있는 연구와 h-BN 이중층 내부에서 일어나는 수소 분자의 상전이 현상과 그로 인한 기본물성과 전자구조의 변화에 관한 연구를 수행하고 이중층 그래핀 내부에서 수소가 고체화되는 것과 같은 새로운 현상에 대한 mechanism을 밝히고자 함.
○ 이를 바탕으로 CNT, 비정질 탄소와 같은 좀더 다양하고 복잡한 시스템에서 수소 분자의 거동에 대한 연구를 수행할 것이며 CNT 내부에서 카바인의 합성, Iodine chain의 합성과 같이 이미 실험적으로 관찰된 바 있는 서브나노 스케일 공간에서의 현상들에 대한 구체적인 reaction mechanism에 대한 연구를 수행.

※ 연구개발성과
○ 이차원 물질과 기체 분자와의 interaction에 대한 이해를 위해 수행한 MoS₂ nanocrystal과 CO 기체 분자와의 반응에 대한 연구에서 MoS₂ nanocrystal의 edge에 있는 S 원자들은 basal plane에 위치하는 S 원자들보다 훨씬 빠르게 CO gas molecule에 의한 evaporation이 일어나는 것을 확인함.
○ Edge S evaporation은 그 다음으로 연쇄적인 반응을 일으켜 주변의 S 원자들의 migration을 촉진시킴.
○ 결과적으로는 초기에 2H 상을 가지고 있던 MoS₂ nanocrystal이 1T/1T’ 상으로 변환될 수 있음을 보였으며 모든 과정은 energetically favorable한 과정임을 보임.
○ 다음으로 WSe₂ 표면에 성장된 Iodine-monofluoride에 대한 연구에서 Bilayer IF가 hexagonal lattice를 가지며 또한 아래에 있는 WSe₂와 epitaxial relationship을 가지는 것을 확인함.
○ IF가 상온상압 조건에서도 WSe₂라는 substarate와의 interaction을 통해 안정적으로 존재할 수 있다는 것을 확인함.
○ Exfoliation 방법으로는 만들 수 없었던 새로운 2차원 물질이 적절한 substrate와 기체 분자간의 interaction을 통해 합성될 수 있다는 가능성을 보여줌.
○ 마지막으로 그래핀과 CNT 내부에서 수소의 고체화 현상에 대한 심도 있는 이해에 대한 연구에서 CNT와 이중층 그래핀이 만들어 내는 intrinsic한 전기장이 물질과 가까운 곳에서는 놀랍게도 약 1 V/nm (= 10⁹ V/m)의 매우 강한 전기장을 생성하는 것을 확인함.
○ 수소 분자가 탄소 nanopore에 의해 생성된 전기장 근처에 접근하게 되면 수소 분자는 polarizability가 있기 때문에 유도되는 electric dipole을 가질 수 있게 되며 탄소 nanopore에 의해 생성된 균일하지 않은 전기장과 수소 분자의 induced electric dipole간에 interaction이 생기게 되고 수소 분자는 토크를 받게 되며 전기장의 gradient를 따라 끌리게 되는 것을 확인함.
○ 기초선행연구에서 얻어진 이중층 그래핀과 CNT의 수소 저장능과 일치하는 결과임을 확인하였으며 nanopore의 geometry가 intrinsic 전자기장을 결정하고 그로 인해 수소 저장능이 결정되는 것이라는 것을 확인함.

※ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 본 연구과제의 수행을 통해 밝혀진 서브나노 스케일의 공간에 수소 분자가 어떻게 liquid/solid-like 하게 가두어지는지에 대한 mechanism과 서브나노 스케일 공간 내부의 수소의 물성에 대한 이해는 고성능의 수소저장재 설계와 합성에 대한 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대됨.
○ 본 연구과제의 수행을 통해 이차원 물질과 기체분자간의 반응에 대한 심도 있는 이해를 할 수 있었는데 이는 서브나노 스케일의 공간을 이용한 새로운 저차원 물질의 합성에 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대되며 이렇게 개발된 신물질은 에너지 저장, 촉매, 전자소자 등의 분야에 활용될 수 있을 것임.
○ 또한, 본 연구과제의 수행을 통해 얻어진 결과들은 단순히 이론적인 예측에서 그치지 않고 sub-angstrom 분해능의 투과전자현미경과 같은 갈수록 발전하고 있는 실험적 기법을 통해 직접 검증까지 될 수 있을 것으로 기대됨.
○ 따라서 본 연구는 단순히 서브나노 스케일의 공간 내부에서 물질의 거동뿐만 아니라 물질 내부의 새로운 이론을 제시할 수 있을 것으로 기대되며 이로 인해 연관된 다양한 나노과학기술 분야에 미치는 파급효과 또한 클 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 6
• 1) 연구수행 결과 ... 6
• 2) 목표 달성 수준 ... 9
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 9
• 5. 연구개발성과 및 활용 계획 ... 10
• 1) 연구성과 ... 10
• 2) 연구성과 활용계획 ... 10
• 6. 참고문헌 ... 11
• 끝페이지 ... 12