기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발, 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용 유기물질로 전환하는 데 세계 최초로 성공했다고 18일 밝혔다. 차세대 디스플레이 소자는 물론 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 폭넓은 활용을 기대한다.
최근 나노과학 분야에서는 새로운 물리·화학적 성질을 가진 수십 개의 원자로 클러스터를 제작하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 클러스터는 기존 나노입자보다 작지만 원하는 물성을 구현할 수 있다. 특히 여러 원자가 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이는 '반도체 클러스터'는 다양한 응용 가능성을 보인다. 다만 지금까지는 상온 공기 중에서 불안정해 응용 사례가 전무했다.
연구진은 안정성 개선을 위해 반도체 클러스터를 둘러 싼 리간드(중심 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온이나 분자)에 주목했다.
기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드(중심 금속 원자 하나와 결합할 수 있는 리간드)를 원자 두 개와 결합하는 이중 자리 리간드로 대체했다. 두 손을 마주잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 원리다. 이후 온도를 서서히 올리며 나노입자를 합성하는 승온법을 활용, 망간이온(Mn2+)이 치환된 13개 카드뮴셀레나이드 클러스터 '(CdSe)13', 13개 아연셀레나이드 클러스터 '(ZnSe)13'를 합성했다. 이렇게 합성한 클러스터 수십 억 개를 규칙성 있게 배열해 거대구조를 만들었다.
기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분 후 구조에 변형이 일어났지만, 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했다. 발광 효율도 기존 대비 72배 향상됐다.
연구진은 같은 방식으로 원자 단위에서 카드뮴과 아연을 섞어 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 클러스터를 합성하고, 거대구조를 구현했다. 이를 촉매로 활용하면 통상 반응 조건보다 저온·저압 환경에서도 이산화탄소를 화장품과 플라스틱 원료물질인 '프로필렌 카보네이트'로 변환할 수 있음을 확인했다.
제1저자인 백운혁 연구원은 “1시간에 1개 클러스터가 3000개 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 설명했다.
현택환 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온, 공기 중에서도 안정적인 거대구조로 구현하고 이산화탄소를 유용한 물질로 변환하는 촉매로도 응용할 수 있음을 보여줬다”며 “향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
