포스텍-핀란드 위베스킬라대, 나노클러스터 기반 신소재 구조체 개발

포스텍(POSTECH)은 박선아 화학과 교수와 통합과정 김신협 씨 연구팀이 핀란드 위베스킬라대 하누 하키넨 교수 연구팀과 함께 금 나노클러스터 기반 구조체에서 금속 이온의 종류에 따라 전기전도도 및 밴드갭을 다양하게 조절하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

나노클러스터(Nanoclusters)는 수십 개의 원자가 모인 초소형 구조체로, 크기와 구조에 따라 전기적·광학적 특성이 달라진다. 특히, Au25(SR)18 같은 금(Au) 기반 나노클러스터는 안정적이고, 자가조립을 통해 초격자를 형성할 수 있어 차세대 전자소재로 주목받고 있다. 하지만 나노클러스터 기반 초격자에서 클러스터 간 간격과 배열 등을 원자 수준에서 정밀하게 제어해 전기적 특성을 조절하는 것은 어려운 과제이다.

왼쪽부터 박선아 포스텍 교수, 통합과정 김신협 씨

연구팀은 나노클러스터의 표면에 있는 카르복실산(carboxylic acid)과 여러 금속 이온(Mg²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺) 사이의 상호작용을 활용해, 금속 이온 종류에 따라 클러스터 간 거리를 조절하는 네 종류의 나노클러스터 기반 구조체(Au25-Mg, Au25-Co, Au25-Ni, Au25-Cu)를 합성하는 데 성공했다.

'단결정 X-선 회절' 분석에서 연구팀은 금속 이온에 따른 나노클러스터 간 거리 변화를 원자 수준에서 확인했다. 특히, Au25-Cu 구조체는 클러스터 간 거리가 가장 짧았는데, 이는 Cu²⁺ 내부 전자가 전기 흐름에 중요한 역할을 한 결과다. 그 덕분에 Au25-Mg 구조체보다 전기전도도가 약 31배 향상되었다. 더 나아가 연구팀은 금속 이온을 바꿔 '전기전도도', '광학 밴드갭(빛을 흡수하는 에너지 범위)', '활성화 에너지'까지 정밀하게 조절하는 데도 성공했다.

이번 연구는 나노클러스터 간 거리뿐 아니라 금속 이온을 바꿔 전자 구조까지 조절할 수 있음을 입증한 연구로 차세대 나노 전자소자와 전기 센서 개발 등 미래 전자소자 설계에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.

박선아 교수는 “나노클러스터 간 상호작용과 전자 구조 조절이 전자 전달 특성에 미치는 영향을 원자 수준에서 밝혀낸 드문 사례”라며, “나노클러스터의 전기적 특성을 이해하는 데 기여할 것”이라고 했다.

한편, 한국 연구재단 선도연구센터 및 기초연구사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 미국화학회 화학 권위지인 'JACS(Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com