기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단은 원자 26개로 이뤄진 세상에서 가장 작은 반도체를 만들고, 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 플라스틱 원료로 바꾸는 기술을 개발했다.

우선, 연구진은 원자 26개를 뭉쳐 ‘반도체 클러스터’를 제작했다. 반도체 클러스터는 여러 원자를 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이게 만든 것이다. 기존 나노입자보다 크기는 작지만, 원하는 물성을 정확하게 구현할 수 있다는 것이 장점이다.

▲ 연구진이 합성한 ‘세상에서 가장 작은 반도체’의 현미경 이미지(출처: Nature Materials)

지금까지는 클러스터가 상온 및 공기 중에서 불안정하여 쉽게 분해되기 한계가 있어 산업적 응용이 어려웠다. 연구진은 반도체 클러스터의 안정성을 개선해 이 한계를 극복했다. 기존 클러스터의 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체한 것이다. 두 손을 마주잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 것과 같은 원리다.

연구진은 이 방식으로 카드뮴(Cd)과 아연(Zn) 원자 각각 13개를 결합해 총 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 셀레나이드 클러스터를 합성했다. 이는 지금까지 개발된 반도체 클러스터 중 가장 작은 크기다. 이후 클러스터를 10억 개가량 뭉쳐 마이크로미터(㎛) 사이즈로 키웠다.

제1저자인 백운혁 나노입자 연구단 연구원은 “리간드를 이용했기 때문에 반도체 클러스터 고유의 성질은 유지하면서도 산업에 응용할 수 있을 만큼 덩치를 키울 수 있었다”고 설명했다.

이렇게 제작한 카드뮴-아연 셀레나이드 클러스터는 이산화탄소를 플라스틱 원료 물질인 프로필렌 카보네이트로 바뀌는 화학반응을 촉진했다. 시간당 클러스터 1개가 이산화탄소 분자 3000개를 프로필렌 카보네이트로 변환시켰다. 연구진은 추후 클러스터 크기를 밀리미터(㎜) 수준까지 키우면 산업적으로 충분히 활용 가능할 것이라고 내다봤다.

▲ 프로필렌 옥사이드와 이산화탄소(CO₂) 반응물에 반도체 클러스터 촉매를 넣고 가열하면 플라스틱의 원료물질인 프로필렌 카보네이트가 합성된다.

연구를 이끈 현택환 나노입자 연구단 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온과 공기 중에서 안정적인 거대구조로 합성한 학문적 성과가 있다”며 “이산화탄소를 유용 물질로 변환하는 촉매로의 활용 가능성도 확인한 만큼, 향후 환경오염 해결과 신소재 발굴에 모두 기여할 것”이라고 말했다.

연구결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials)’ 1월 19일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬