[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발하고 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환하는 데 세계 최초로 성공했다고 19일 밝혔다.

차세대 디스플레이 소자는 물론 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 폭넓은 활용이 기대된다.

최근 나노과학 분야에서는 덩어리(bulk) 상태와는 다른 새로운 물리‧화학적 성질을 가진 수십 개의 원자로 구성된 클러스터의 제작이 활발하게 진행되고 있다.

반도체 클러스터의 응집 거대구조 형성[사진=IBS] 2021.01.18 memory4444444@newspim.com

반도체 클러스터는 다양한 응용 가능성으로 주목받았지만 지금까지 상온 및 공기 중에서 불안정해 응용 사례가 없었다.

연구팀은 반도체 클러스터의 안정성을 개선하기 위해 연구를 시작했다. 우선 기존 반도체 클러스터를 둘러싼 리간드에 주목했다.

클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체했다. 두 손을 마주 잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 것과 같은 원리다.

이후 승온법으로 망간이온(Mn2+)이 치환된 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터(CdSe)13과 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 일어났으나 연구팀이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했고 발광 효율 역시 기존에 비해 72배 향상됐다.

백운혁 연구원(제1저자) [사진=IBS] 2021.01.18 memory4444444@newspim.com

백운혁 연구원(제1저자)은 "온화한 조건에서 1시간에 1개의 클러스터가 3000개의 이산화탄소 분자를 프로필렌 카보네이트로 변환하는 높은 전환율을 보였다"며 "카드뮴과 아연이 원자 단위에서 반씩 섞인 클러스터 거대구조에서 두 금속 간의 시너지 효과가 유발돼 촉매 활성이 향상되는 것을 확인했다"고 말했다.

현택환 단장 2021.01.18 [사진=IBS] memory4444444@newspim.com

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 "반도체 클러스터의 조성을 26개의 원자 내에서 정밀하게 조절해 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현, 향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다"고 했다.

이번 연구결과는 재료 분야 세계적 권위지인 '네이처 머터리얼스(Nature Materials)'에 19일 새벽 1시 게재됐다. 

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