원자 26개 '세상에서 가장 작은 반도체'의 마술

IBS 나노입자 연구단, 이산화탄소를 플라스틱 원료로 변환

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단이 카드뮴과 아연 원자 총 26개를 이용해 반도체 클러스터를 만든 뒤 이를 촉매로 써서 이산화탄소를 플라스틱 원료 물질로 바꾸는 데 성공했다. IBS 나노입자 연구단 제공

국내 연구진이 세상에서 가장 작은 반도체를 만든 뒤 이를 촉매로 써서 이산화탄소를 플라스틱 원료로 바꾸는 기술을 개발했다. 현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장이 이끄는 연구팀은 이 같은 내용을 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스’ 19일자에 발표했다. 

연구팀은 우선 원자 26개로 이뤄진 반도체 클러스터를 제작했다. 반도체 클러스터는 여러 원자를 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이게 만든 것으로 ‘분자 클러스터’로도 불린다. 이런 클러스터는 기존의 나노입자보다 작으면서 원하는 물성을 정확하게 구현할 수 있다는 장점이 있어 최근 나노과학에서 연구가 활발하다. 

문제는 클러스터가 상온이나 공기 중에서 불안정한 상태여서 쉽게 분해된다는 점이다. 이 때문에 지금까지 반도체 클러스터를 만들어도 이를 산업에 응용할 수 있는 기술로 발전시킨 사례는 없다.  

나노입자 연구단 연구팀은 카드뮴(Cd)과 아연(Zn) 원자 각각 13개를 서로 결합해 총 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 셀레나이드 클러스터를 합성했다. 이는 지금까지 개발된 반도체 클러스터 중 세계에서 가장 작은 반도체다. 

특히 카드뮴과 아연 원자를 연결할 때 이중 자리 리간드로 연결해 반도체 클러스터의 불안정성 문제를 해결했다. 기존 반도체 클러스터는 클러스터의 안정성을 높이기 위해 단일 자리 리간드를 썼다. 

리간드는 중심의 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 이온이나 분자로, 중심 금속 원자 하나와 결합할 능력이 있으면 단일 자리 리간드, 중심 금속 원자 두 개와 결합할 능력이 있으면 이중 자리 리간드가 된다. 

논문 제1 저자인 백운혁 나노입자 연구단 연구원은 “카드뮴-아연 셀레나이드 클러스터를 10억 개가량 뭉쳐 마이크로미터(μm·1μm는 100만 분의 1m) 사이즈로 키웠다”며 “리간드를 이용했기 때문에 반도체 클러스터 고유의 성질은 유지하면서도 산업에 응용할 수 있을 만큼 덩치를 키울 수 있었다”고 설명했다. 

연구팀이 이렇게 제작한 카드뮴-아연 셀레나이드 클러스터는 이산화탄소를 만나면 플라스틱의 원료 물질인 프로필렌 카보네이트로 바뀌는 화학반응을 촉진했다. 백 연구원은 “시간당 클러스터 1개가 이산화탄소 분자 3000개를 프로필렌 카보네이트로 변환시켰다”며 “추후 클러스터 크기를 밀리미터 수준까지 더 키우면 산업적으로 충분히 활용가능할 것”이라고 말했다. 

현 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온과 공기 중에서 안정적인 거대구조로 만들었을 뿐만 아니라 이산화탄소를 유용 물질로 변환하는 촉매로도 활용했다”며 “미래 반도체 소재 발굴 연구에 기여할 것”이라고 말했다. 

[이현경 기자 uneasy75@donga.com]