[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 차세대 디스플레이 소자로 활용하면서 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질을 만들었다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발하고, 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환했다고 19일 밝혔다.

반도체 클러스터의 응집 거대구조 형성 과정.(자료=기초과학연구원)

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최근 나노과학 분야에서는 덩어리 상태와는 다른 새로운 물리·화학적 성질을 가진 수십 개의 원자로 구성된 클러스터 제작이 활발하게 진행되고 있다. 클러스터는 기존 나노입자보다 작으면서도 정확한 개수의 원자로 구성돼 원하는 물성을 정확히 구현할 수 있다. 반도체 클러스터도 다양한 응용이 가능했지만, 상온이나 공기 중에서 불안정해 응용하지 못했다.

연구팀은 반도체 클러스터의 안정성을 개선하기 위해 연구를 시작했다. 기존 반도체 클러스터를 둘러 싼 리간드에 주목했고, 클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체했다.

이후, 승온법으로 망간이온이 치환된 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터와 13개의 아연셀레나이드 클러스터를 합성했다. 이렇게 합성된 클러스터 수십 억개를 2·3차원적으로 규칙성 있게 배열해 거대구조를 만들었다.

그 결과, 기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 구조에 변형이 일어났지만, 연구진이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지하고, 발광 효율도 기존에 비해 72배 높였다.

연구팀은 같은 방식으로 원자 단위에서 카드뮴과 아연을 섞어 26개 원자로 이뤄진 카드뮴·아연 합금 셀레나이드 클러스터를 합성하고, 클러스터를 뭉쳐 거대구조를 구현했다. 이를 촉매로 활용하면 반응이 이뤄지는 온도와 압력에 비해 저온·저압 환경에서도 이산화탄소를 화장품이나 플라스틱의 원료물질인 ‘프로필렌 카보네이트’로 변환하는 반응을 진행할 수 있음을 확인했다.

현택환 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온이나 공기 중에서도 안정적인 거대구조로 구현하고, 이를 이산화탄소를 유용한 물질로 변환하는 촉매로도 응용할 수 있다”며 “반도체 클러스터 조성을 26개의 원자 내에서 정밀하게 조절해 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현하고, 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것”이라고 기대했다.

연구결과는 재료분야 국제 학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’에 19일자로 게재됐다.