반도체 클러스터의 응집 거대구조 형성 과정 (사진제공:IBS)© 뉴스1

기초과학연구원(이하 IBS) 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발했다.

또, 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환하는데 세계 최초로 성공했다. 차세대 디스플레이 소자는 물론 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 폭넓은 활용이 기대된다.

19일 IBS에 따르면 최근 나노과학분야에서는 덩어리(bulk) 상태와는 다른 새로운 물리·화학적 성질을 가진 수십개의 원자로 구성된 클러스터의 제작이 활발하게 진행되고 있다.

특히, 반도체 클러스터는 다양한 응용 가능성으로 주목받고 있지만 상온 및 공기 중에서 불안정해 응용 사례가 전무했다.이에 연구진은 기존 반도체 클러스터를 둘러 싼 리간드(ligand)에 주목했다. 리간드는 중심 금속원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온 또는 분자를 뜻한다.

연구팀은 클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일자리 리간드를 이중자리 리간드로 대체했다. 마치, 두 손을 마주잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 것과 같은 원리다.

이후, 온도를 서서히 올려가며 나노입자를 합성하는 방식인 승온법(heat-up process)으로 망간이온(Mn2+)이 치환된 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터(CdSe)13와 13개의 아연셀레나이드 클러스터(ZnSe)13을 합성했다.

이렇게 합성된 클러스터 수십억개를 2차원 또는 3차원적으로 규칙성 있게 배열해 거대구조(suprastructure)를 만들었다.

기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 그 구조에 변형이 일어났다.

하지만, 연구진이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지한 것은 물론 발광효율 역시 기존에 비해 72배 향상됐다.

반도체 클러스터 거대구조의 촉매적 특성(사진제공:IBS)© 뉴스1

연구진은 같은 방식으로 원자단위에서 카드뮴과 아연을 섞어 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 클러스터(Mn2+:(Cd1-xZnxSe)13)를 합성하고, 클러스터를 뭉쳐 거대구조를 구현했다.

이어 이를 촉매로 활용하면 온화한 조건(통상적으로 반응이 이뤄지는 온도와 압력에 비해 저온·저압환경)에서도 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료물질인 ‘프로필렌 카보네이트’로 변환하는 반응을 효율적으로 진행할 수 있음을 확인했다.

현택환 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온 및 공기 중에서도 안정적인 거대구조로 구현하고, 이를 이산화탄소를 유용한 물질로 변환하는 촉매로도 응용할 수 있음을 보여줬다”며 “향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 재료분야 세계적 권위지인 ‘네이처 머터리얼스’ 1월19일자 새벽 1시(한국시간)에 게재됐다.


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