'이산화탄소→유용 원료'로 바꾸는 세상서 최소형 반도체 개발

IBS의 26개 원자로 구성된 반도체… 1년이 넘게 안정적, 발광효율 72배↑

반도체 뭉친 거대구조로 세계 처음 이산화탄소 전환 촉매 활용

연구결과 '네이처 머터리얼스'에 발표

[대전=뉴시스] 반도체 클러스터의 응집 거대구조 형성 과정.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 이산화탄소를 유용한 원료로 바꿀 수 있는 세상에서 가장 작은 반도체가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀이 원자 26개로 구성된 매우 작은 반도체를 개발하고 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
 
 원자로 구성된 클러스터는 기존 나노입자보다 작지만 원하는 물성을 정확히 구현할 수 있어 다양한 응용 가능성으로 주목받고 있으나 지금까지 반도체 클러스터는 상온 및 공기 중에서 불안정을 보여 실제 응용 사례는 없다.

 현 단장팀은 반도체 클러스터의 안정성 개선을 위해 반도체 클러스터를 둘러 싼 '리간드(ligand)'에 주목하고 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드를 금속 원자 두 개와 결합할 수 있는 '이중 자리 리간드'로 대체했다.

 리간드는 중심 금속 원자와 결합해 화합물을 형성하는 이온 또는 분자고 단일 자리 리간드는 중심 금속 원자 하나와 결합할 수 있는 리간드, 이중 자리 리간드는 금속 원자 두 개와 결합할 수 있는 능력이 있는 리간드다.

이어 연구팀은 온도를 서서히 올려가며 나노입자를 합성하는 승온법으로 망간이온(Mn2+)이 치환된 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터(CdSe)와 13개의 아연셀레나이드 클러스터(ZnSe)를 합성했다.
 
이렇게 합성된 클러스터 수십 억개를 2~3차원적으로 규칙성 있게 배열해 거대구조(suprastructure)를 만들었다.

[대전=뉴시스] 반도체 클러스터 거대구조의 촉매적 특성.

연구진이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했으며 발광 효율 역시 기존에 비해 72배 향상됐다. 기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 그 구조에 변형이 일어난다.
 
연구진은 또 같은 방식으로 원자 단위에서 카드뮴과 아연을 섞어 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 클러스터(Mn2+:(Cd1-xZnxSe)13)를 합성하고 클러스터를 뭉쳐 거대구조를 구현했다.

이 거대구조를 촉매로 활용하면 통상적으로 반응이 이뤄지는 온도와 압력에 비해 저온·저압 환경에서도 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료물질인 '프로필렌 카보네이트'로 효율적으로 변환할 수 있다.

연구결과는 19일 오전 1시(한국시간) 세계적 권위지인 '네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 38.663)'에 게재됐다.(논문명:Highly luminescent and catalytically active suprastructures of magic-sized semiconductor nanoclusters)
 
제1저자인 백운혁 연구원은 "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 유돼 촉매 활성이 향상되는 것을 확인했다"고 설명했다.

 현택환 단장은 "세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온 및 공기 중에서도 안정적인 거대구조로 구현하고, 이를 이산화탄소를 유용한 물질로 변환하는 촉매로도 응용할 수 있음을 보여줬다"면서 "반도체 클러스터의 조성을 26개의 원자 내에서 정밀하게 조절, 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현해 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것"이라고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]