기초과학연구원(IBS)은 19일 현택환 나노입자 연구단장 연구팀이 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발하고, 세계 최초로 이를 촉매로 한 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환하는 데 성공했다고 밝혔다.
이에 따라 차세대 디스플레이 소자는 물론 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 폭넓은 활용이 기대된다.
최근 나노과학 분야에선 새로운 물리·화학적 성질을 가진 수십 개 원자로 구성된 클러스터 제작이 활발히 진행되고 있다.
특히 여러 원자가 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이는 반도체 클러스터는 다양한 가능성을 주목받았지만 상온 및 공기 중에서 불안정해 응용에 한계가 있었다.
이에 연구팀은 기존 반도체 클러스터를 둘러 싼 리간드(중심 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온)에 주목했다.
클러스터 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체했다.
이후 13개의 카드뮴 셀레나이드 클러스터와 13개의 아연셀레나이드 클러스터를 합성해 규칙성 있게 배열된 거대구조를 만들었다.
이 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했고, 발광 효율도 기존에 비해 72배 향상됐다.
또 같은 방식으로 26개의 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 클러스터를 합성하는데도 성공했다.
이를 촉매로 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱 원료물질인 프로필렌 카보네이트로 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 “반도체 클러스터의 조성을 26개의 원자 내에서 정밀하게 조절해 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현해 향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 재료분야 세계적 권위지 ‘네이처 머터리얼스’에 게재됐다.
