'0.0000000009m' 반도체 나노구조 비밀, 한국 과학자가 풀었다

반도체 나노 집합체 '카드뮴 셀레나이드'엑스선 회절법으로 0.9㎚ 구조 최초 규명"차세대 디스플레이, 광촉매 등에 활용 기대"

기초과학연구원(IBS) 연구진이 반도체 나노 집합체를 원자 수준에서 규명한 결과. / 사진제공=기초과학연구원(IBS)

국내 연구진이 10억분의 1m 수준에서 '반도체 나노 집합체' 구조를 처음으로 규명했다. 반도체 나노 집합체란 원자(물질을 구성하는 최소 단위) 여러 개가 하나로 집합된 상태다. 연구진이 구조를 규명함에 따라 차세대 디스플레이, 광촉매 등 다양한 분야에서 이를 활용할 수 있을 전망이다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 연구팀은 27개 원자로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체 구조를 규명했다고 26일 밝혔다. 이번 연구는 화학 분야 세계적 국제학술지이자 셀 자매지인 '켐'(Chem)에 게재됐다.

반도체는 도체와 부도체의 중간영역에 속하는 물질이다. 특별한 조건에서만 전기가 통하는 물질로 전자제품을 만들 때 전류를 조절하는 데 사용된다. 현재까지 규명된 가장 작은 '반도체 나노 집합체'는 카드뮴(Cd) 원자 14개와 셀레늄(Se) 원자 13개로 이뤄진 '카드뮴 셀레나이드'이다. 이 물질은 기존 나노입자보다 작으면서도 원자 개수가 일정해 원하는 물성을 구현하기 쉬운 특징을 지닌다.

국내외 과학자들은 그동안 카드뮴 셀레나이드라는 반도체 나노 집합체가 있다는 사실만 알았을 뿐 정확한 구조를 밝히진 못했다. 나노 구조를 구현하기에 어려움이 있을 뿐더러 물질 반응 중 일시적으로 생겼다가 사라져 버리는 특성이 있는 한계 때문이었다.

연구팀은 단결정 엑스선 회절법으로 단결정의 독특한 구조를 분석했다. 엑스선 회절법이란 관찰 대상에 엑스선을 발사해 산란되는 상태를 분석해 구조를 분석하는 방법이다. 그동안 카드뮴 셀레나이드는 초사면체 구조로 알려졌지만 연구팀이 살펴본 결과 셀레늄(Se)을 중심으로 카드뮴 셀레나이드가 감싸고 있는 형태로 나타났다. 크기는 0.9㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m)에 불과했다.

정확한 구조를 규명하면서 연구팀은 카드뮴 셀레나이드를 단일 사이즈로 만드는 새로운 방법까지 고안했다. 연구팀은 반도체 나노 집합체를 둘러싼 리간드(중심 금속 원자에 결합해 화합물을 형성하는 분자) 배열을 조정했다. 그 결과 합성된 단일 집합체 수십억 개를 규칙적으로 연결해 단결정을 만들었다. 무작위의 뭉침이 발생하지 않은 안정적 상태가 구현됐다.

현택환 단장은 "차세대 디스플레이, 광촉매 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 중요한 기초연구 결과"라며 "수십 년간 베일에 싸여 있던 반도체 나노 집합 구조체의 구조를 밝혔으며 이런 특이한 구조를 가진 나노 집합체는 앞으로 색다른 특성을 가진 나노 입자들을 제조하는 데 사용될 것"이라고 말했다.

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수)은 매년 10월 노벨과학상 시즌에 한국의 유력 후보로 거론되는 인물이다. / 사진제공=기초과학연구원(IBS)

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김인한 기자 science.inhan@mt.co.kr

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