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[올댓사이언스] 21세기의 연금술… ‘단결정’



 



보석에서 잡음 없는 스피커까지


최근 ‘단결정’이란 말을 자주 들을 수 있습니다. 소재과학의 중요성이 높아지며 국내에서도 단결정과 관련된 연구성과가 부쩍 늘고 있기 때문입니다. 단결정 기술을 이용하면 잡음 없는 깨끗한 소리를 듣는 것도, 전기요금 걱정없는 고효율 태양광 전지도 손쉽게 만들 수 있습니다. 단결정 기술이 무엇인지 문답식으로 알기 쉽게 정리해 보았습니다. -에디터 주





Q1.이런 단결정은 무엇인가요?



A1. 학교 때 물질의 최소단위는 원자라고 배우지요. 하지만 물질 고유의 성격을 결정하는 것은 ‘분자’입니다. 수소는 불이 잘 붙는 물질이고, 산소는 불이 붙을 때 꼭 필요하지요. 하지만 수소원자 2개와 산소원자 1개가 모이면 오히려 불을 끌 수 있는 물 분자 1개가 되기도 합니다.
이런 분자들은 다시 하나로 모여 ‘물질’을 형성하는데, 이런 분자들의 모임을 결정이라고 합니다. 결정은 원자구조가 일정하게 배열된 단 한 개의 덩어리로 성장할 수도 있습니다. 이런 것을 ‘단결정’이라고 합니다. 하지만 대부분은 아주 작은 단결정 물질들이 계속 뭉쳐 다시 하나의 큰 결정으로 합쳐져 있는 경우가 대부분입니다. 이런 경우를 ‘다결정’ 이라고 합니다.

Q2. 그렇군요. 단결정은 내부의 구성 원자가 규칙적으로 배열된 순수한 고체라고 생각하면 되겠네요. 그렇다면 단결정은 반드시 실험실이나 공장에서 만들어지겠군요?

A2. 단결정은 자연 상태에서도 만들어져요. 일정한 압력과 온도가 유지되는 상태에선 물질이 생성될 때 원자배열 역시 일정하게 만들어질 확률이 높지요. 물론 쉽게 찾아보긴 어렵습니다. 그래서 광물질 중에는 가격이 비싼 보석 종류가 많습니다. 다이아몬드나 루비, 사파이어 같은 것들이 대표적인 단결정 광물입니다. 하지만 굵고 투명한 소금 조각도 단결정으로 이뤄져 있어서 꼭 비싼 것만은 아니랍니다.





Q3. 단결정 물질과 다결정 물질의 차이점은 무엇인가요?



A3. 유명한 단결정인 다이아몬드를 예로 들어볼까요? 다이아몬드는 원자구조가 치밀한 1개의 단결정입니다. 세상에서 가장 단단한 물질이지요. 당연히 자연 상태에선 찾아보기 어렵고 가격도 비싸지요. 하지만 같은 탄소분자로 만들어진 다결정 물질인 흑연은 연필심의 재료로 쓰일 만큼 무르고 잘 부러지는 재료입니다. 색깔도 투명한 다이아몬드와 정 반대로 짙은 검은 색을 띄지요.

보통 다결정보다는 단결정이 더 강합니다. 그리고 물질 고유의 성질을 최대한 발휘할 수 있지요. 그래서 과학자들은 인위적으로 단결정을 만들어 기존 재료의 단점을 뛰어 넘는 소재를 개발하려고 하고 있습니다.





Q4. 그렇다면 단결정을 이용해 새로운 물질을 만들 수도 있나요?



A4. 새로운 물질이라기 보단, 더 뛰어난 물질을 만들 수 있습니다.

실리콘을 예로 들어볼게요. 실리콘은 지구상에 두 번째로 많은 물질입니다. 돌, 모래 등 많은 자연물질에 섞여 있지요. 실리콘은 빛을 비추어보면 전기로 바뀌는 특성을 가지고 있어요. 사람들은 그동안 실리콘을 이용해서 태양전지를 개발했습니다. 창문이나 태양광자동차에 붙이는 푸른색 태양전지 말이에요. 이 태양전지의 성능을 높이기 위해 사람들은 다른 물질이 전혀 섞여 있지 않도록 순수한 실리콘을 정제해보기도하고, 촉매 등을 섞어 보고, 얇은 판 모양으로 잘라내 보기도 했습니다. 조금이라도 효율이 높은 실리콘을 만들기 위해 많은 실험을 거듭한 셈이지요. 이런 노력의 결과 현재 시판되고 있는 태양전지는 비추어진 빛 에너지의 10~15% 정도를 전기로 바꿀 수 있습니다.

하지만 단결정을 이용하면 이런 효율이 훌쩍 높아집니다. 국내 태양전지 제조기업인 신성홀딩스에서 단결정 기술을 이용해 이달 9일 18%의 효율을 가진 태양전지가 만들어냈어요. 이 정도 효율이면 세계최고 수준이지요.





Q5. 단결정을 만드는 기술을 잘 활용하면 품질 좋은 전자제품 등을 만들 수 있을 것 같아 보여요. 태양광 전지 이외에 단결정 제조 기술을 이용해 만들어진 다른 제품은 어떤 것이 있습니까?



A5. 이미 단결정은 다양한 산업분야에 활용되고 있습니다. 실제로 단결정 기술을 활용해 대박을 터뜨린 기업도 있습니다. 국내 오디오업계 벤처기업 엠씨랩은 ‘솔리톤’이란 제품명을 붙인 오디오 케이블(전선)을 개발했어요. 솔리톤은 단결정 은(銀)을 재료로 사용해서 만든 제품인데, 일반 구리 전선에서 발생하는 미세한 전기잡음이 발생하지 않아 한결 좋은 음질을 제공합니다.

음악애호가들에게 인기가 좋은데, 2.3m 길이에 950만 원이 넘을 만큼 비싼 가격에 판매되고 있습니다. 하지만 국내에서는 물론 네덜란드와 일본 등에도 찾아와 구입할 만큼 인기가 좋습니다.






Q6. 앞으로도 단결정 제조기술은 점점 더 중요해 질 것 같은데요, 단결정 제조기술이 더 자주 활용될 분야는 무엇일까요?



A6. 소재기술인 만큼 대부분의 산업기술에 모두 활용될 수 있습니다. 현대연금술의 총아라고 불리는 이유가 그 때문이죠.
한국원자력연구원은 이달 11일 ‘CZT 화합물의 대구경 단결정’ 생성에 성공했다고 발표했어요. 세계 6번째라더군요. CZT란 카드늄(Cd), 아연(Zn), 텔레늄(Te) 등 3가지 원소를 섞어 만든 화합물인데, 방사능에 견디는 성질이 뛰어나 병원의 방사선영상장비, 우주망원경, 태양전지, 방사선센서 등의 다양한 물질을 만드는데 사용됩니다. 연구소 측은 CZT 화합물을 단결정으로 만들면서 기존 장치보다 훨씬 성능이 뛰어난 제품을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

미래형 첨단 디스플레이 제작에도 단결정 기술이 쓰일 것으로 보입니다. 얼마 전인 이달 13일에도 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 새로운 단결정 전선을 개발했어요. 코발트와 게르마늄의 합금을 단결정으로 만들고, 이것을 다시 가늘게 뽑아 나노선으로 만든 것이죠. 김 교수는 이 단결정 나노 전선을 이용해 차세대 모니터의 전자발사체(이미터)를 다시 개발할 생각이에요. 이 연구성과는 5일 세계적인 물리학 전문지 어드밴스드 머티리얼즈에도 소개되었습니다.





Q7. 단결정을 기술은 장점이 굉장히 많은 것 같군요. 그렇다면 왜 아직까지 단결정 기술이 보편화 되지 않을까요? 단결정 제조 기술을 만드는데 어려운 점은 어떤 것인지 궁금합니다.



A7. 단결정을 만들려면 일단 물질의 분자구조를 풀어준 후, 이것을 일정한 조건에서 조금씩 단결정 상태로 자라도록 해야 합니다. 물질을 액체로 만들어 굳히는 방법, 기체 상태에서 결정을 생성시키는 방법, 그리고 고체상태 조금 씩만 녹여가며 그대로 성질을 바꾸는 방법 등 크게 3가지로 나뉩니다.

하지만 이런 방법대로 실험해도 항상 단결정이 만들어지는 것은 아닙니다. 수많은 화합물이 단결정 상태로 자라는 조건을 모두 파악하기 어렵기 때문입니다. 또 어렵게 성공해도 단결정이 다결정 보다 얼마나 좋은 성질을 가지게 될지는 직접 만들어 실험해보아야 하지요. 지금까지 과학자들은 몇 가지 단결정을 만드는 기술을 개발해 냈지만, 아직 만들 수 없는 물질이 훨씬 많습니다.

 

 

 

 

 



전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com



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