원자는 물질의 기본적 구성 단위로 하나의 핵과 이를 둘러싼 여러 개의 전자로 구성된다. 핵은 양성자와 중성자로 이뤄져 있는데, 이 양성자와 중성자, 전자의 숫자에 따라 원자의 성질이 달라진다. 숫자 뿐 아니라 이들 양성자와 중성자, 전자가 어떻게 배치돼 있냐에 따라 원자의 성질이 바뀐다. 예를 들어 금은 노란색에 가깝다. 하지만 미세한 가루로 만들수록 푸른 색과 붉은 색으로 바뀐다. 색깔 뿐 아니라 전기 전도도 등 여러 성질이 변하게 된다. 다만 아직까지 원자의 성질을 가늠할 수 있는 원자 내부 구조는 대부분 물질에서 수수께끼에 쌓여 있다.

신소재공학과 최시영 교수가 이끄는 ‘전자∙원자구조 이미징 해석 연구실’은 눈에 보이지 않는 원자와 전자를 관찰해 소재의 본질을 꿰뚫는 연구를 진행하고 있다. 본질을 꿰뚫어 눈에 보이는 유용한 미래소재를 개발하는 게 목표다. 연구팀은 이런 연구를 ‘소재 이미징’이라 부른다. 사진을 눈으로 들여다보듯 원자와 전자를 살펴보겠다는 것이다.

소재 이미징 연구에는 기본적으로 투과전자현미경이 활용된다. 투과전자현미경은 고전압의 전자빔을 물질에 투과시켜 내부 구조를 수십만 배 이상 확대해 관찰할 수 있는 첨단 장비다. nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 수준의 분해능을 가지고 있어 원자 수준에서 정교하게 관측할 수 있다. 연구팀은 인공지능(AI)의 하나인 기계학습 모델을 도입해 원자의 구조 정보 분석의 정확도를 현미경만 사용하는 것보다 약 5배 끌어올렸다.

이를 통해 최근 2가지 물질의 구조에 대한 비밀을 푸는데 성공했다. 전자의 경로를 세밀하게 제어해 점점 소형화되는 반도체의 성능을 높이는 데 쓰일 수 있는 ‘Mn3GaN’와 ‘훌륭한 광전자 성질로 태양전지와 발광소자의 미래소재로 주목받고 있는 페로브스카이트 구조의 산화물인 ‘CaTi03’의 구조를 밝혔다. 관련 연구결과는 각각 지난해 7월 국제학술지 사이언스 어드밴시스와 지난해 10월 네이처 커뮤니케이션에 발표됐다.

연구팀은 소재 이미징을 할 수 있는 분석 능력을 갖추는 것과 함께 소재 이미징 결과를 갖고 소재를 더 잘 이해하는 해석능력을 갖추기 위해 매진한다는 계획이다. 세계적으로는 후발주자이지만 머지 않아 국내를 뛰어넘어 세계적 리딩그룹으로 신소재 분야 후학들과 함께 전진해 나가는 연구실이 되겠다는 목표도 갖고 있다. 연구팀은 이런 계획과 목표를 가지고 소재 이미징 기술을 바탕으로 새로운 소재에서 발현되는 독특한 물리적 현상을 이해하고 나아가 새로운 소재를 설계하는 데 기반이 되고자 한다.