UNIST "금 표면에 V자 반복 '헤링본 무늬' 생기는 이유 규명"

펑 딩 특훈교수팀 연구…최상층 원자가 위로 이동해 무늬 생성

원자 수준의 금 표면에 V자가 반복되는 무늬인 헤링본(herringbone)이 드러나는 이유를 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 밝혀냈다.

6일 UNIST는 신소재공학과 펑 딩(Feng Ding) 특훈교수가 금 표면에 헤링본 질감이 나타나는 이유를 밝혀 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 5일(현지 시각) 발표했다고 밝혔다.

금을 포함한 금속은 합성 조건에 따라 다양한 표면 구조를 나타내는데, 이는 금속 이름 뒤에 기록된 숫자로 구분한다.

금의 경우 '금(111)'의 표면 구조가 가장 안정적인데, 반세기 전에 이 물질의 원자 표면이 독특하다는 것이 밝혀졌다.

맨눈으로 보면 매끈한 표면인데 원자 수준에서는 헤링본 질감이 드러난다.

그러나 이 무늬가 왜 나타나는지는 오랫동안 수수께끼로 남아 있었다.

펑 딩 교수 연구팀은 머신러닝 기술인 인공신경망을 활용해 이 이유를 풀었다.

연구팀에 따르면 금(111) 표면 최상층의 원자 수는 바로 아래층보다 4% 정도 더 많다.

이 때문에 최상층의 몇몇 원자들은 불안정한 위치에 놓인다.

최상층 원자가 이 위치에서 벗어나 안정을 찾으려면 위로 조금 이동해야 하는데, 이때 금 표면에 변형이 생겨 헤링본이 형성되는 것이다.

연구팀은 인공신경망을 통해 금(111) 원자가 받는 힘을 정확히 계산하고 시뮬레이션해 최상층 아래에서 무시할 수 없는 변형이 일어난다는 사실을 입증했다.

이런 변형은 금(111) 원자층이 두꺼울수록 심했고, 두께가 얇으면 내부 변형이 억제돼 헤링본 대신 줄무늬가 나타났다.

펑 딩 교수는 "전통적 접근으로는 10만 개 이상의 원자가 포함된 나노 구조의 움직임을 계산하기 어렵다"며 "원자 단위의 움직임을 매우 정확하고 효율적으로 계산할 수 있는 인공신경망 기술 덕분에 금(111)의 특별한 구조를 밝힐 수 있었다"고 말했다.

이어 "이번 연구는 신소재 연구에 머신러닝 기법을 적용해 각종 재료의 복잡한 표면 구조와 발생 원리를 알아내는 좋은 사례"라며 "물질 표면 연구에 인공신경망 등을 도입하는 길을 열었다"고 덧붙였다.

/연합뉴스