세상에서 가장 작은 반도체로 이산화탄소를 유용 원료로 바꾼다-IBS 연구진, 반도체 뭉친 거대구조를 세계 최초 이산화탄소 전환 촉매로 활용
보도일 2021-01-19 01:00 연구단명나노입자 연구단
세상에서 가장 작은 반도체로 이산화탄소를 유용 원료로 바꾼다
- 1년이 지나도 안정적인 26개 원자로 구성된 반도체 … 발광효율 72배 증대 -
- IBS 연구진, 반도체 뭉친 거대구조를 세계 최초 이산화탄소 전환 촉매로 활용 -
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 현택환 나노입자 연구단장(서울대 석좌교수) 연구팀은 원자 26개로 구성된 세상에서 가장 작은 반도체를 개발하고, 이를 촉매로 활용해 이산화탄소를 유용한 유기물질로 전환하는 데 세계 최초로 성공했다. 차세대 디스플레이 소자는 물론 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 폭넓은 활용이 기대된다.
최근 나노과학 분야에서는 덩어리(bulk) 상태와는 다른 새로운 물리‧화학적 성질을 가진 수십 개의 원자로 구성된 클러스터의 제작이 활발하게 진행되고 있다. 클러스터는 기존 나노입자보다 작으면서도 정확한 개수의 원자로 구성되어 원하는 물성을 정확히 구현할 수 있다. 특히, 반도체 클러스터 반도체 클러스터: 여러 원자가 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이는 것으로 분자 클러스터(magic-sized nanocluster)로도 불린다.
는 다양한 응용 가능성으로 주목받았지만, 지금까지는 상온 및 공기 중에서 불안정하여 응용 사례가 전무했다.
연구진은 반도체 클러스터의 안정성 개선을 위해 연구를 시작했다. 우선, 기존 반도체 클러스터를 둘러 싼 리간드 리간드(ligand): 중심 금속 원자에 결합하여 화합물을 형성하는 이온 또는 분자를 뜻한다.
에 주목했다. 클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드 단일 자리 리간드 : 중심 금속 원자 하나와 결합할 수 있는 리간드를 뜻한다. 이중 자리 리간드는 금속 원자 두 개와 결합할 수 있는 능력이 있는 리간드를 의미한다.
를 이중 자리 리간드로 대체했다. 두 손을 마주잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 것과 같은 원리다.
이후, 승온법 승온법(heat-up process): 온도를 서서히 올려가며 나노입자를 합성하는 방식. 현택환 단장 연구팀이 고안한 합성법으로 크기가 균일한 나노입자를 합성하는 연구 및 산업에 전 세계적으로 사용되고 있다.
으로 망간이온(Mn2+)이 치환된 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터 (CdSe)13와 13개의 아연셀레나이드 클러스터(ZnSe)13 를 합성했다. 이렇게 합성된 클러스터 수십 억 개를 2차원 또는 3차원적으로 규칙성 있게 배열하여 거대구조(suprastructure)를 만들었다. 기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 그 구조에 변형이 일어났지만, 연구진이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했으며, 발광 효율 역시 기존에 비해 72배 향상됐다.
한편, 연구진은 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. 이어 이를 촉매로 활용하면 온화한 조건(통상적으로 반응이 이뤄지는 온도와 압력에 비해 저온·저압 환경)에서도 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료물질인 ‘프로필렌 카보네이트’로 변환하는 반응을 효율적으로 진행할 수 있음을 확인했다.
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 유발되어 촉매 활성이 향상되는 것을 확인했다”이라고 설명했다.
현택환 단장은 “세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온 및 공기 중에서도 안정적인 거대구조로 구현하고, 이를 이산화탄소를 유용한 물질로 변환하는 촉매로도 응용할 수 있음을 보여주었다”며 “반도체 클러스터의 조성을 26개의 원자 내에서 정밀하게 조절하여 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현하여, 향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.
연구결과는 재료분야 1월 19일(화) 새벽 1시(한국시간) 세계적 권위지인 ‘네이처 머터리얼스(Nature Materials, IF 38.663)’에 게재됐다.
[붙임] 1. 연구 추가 설명 2. 그림설명 3. 연구진 이력사항
연 구 추 가 설 명
논문명
(저널)
Highly luminescent and catalytically active suprastructures of magic-sized semiconductor nanoclusters
Nature Materials
저자정보
Woonhyuk Baek, Megalamane S. Bootharaju, Kelly M. Walsh, Sanghwa Lee, Daniel R. Gamelin and Taeghwan Hyeon*
연구이야기
[연구배경] 최근 나노과학 분야에서는 분자와 벌크상태의 소재에 비해, 전혀 새로운 물리 및 화학적 성질을 가진, 단 수십 개의 원자로 구성된 클러스터를 만드는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 클러스터는 기존의 나노입자보다 매우 작으며, 정확한 개수의 원자로 구성되기 때문에 기존에 볼 수 없었던 새로운 물리적, 화학적 특성을 가진다. 특히 반도체 클러스터는 다양한 응용 가능성 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 실험적으로는 그 존재가 규명되었지만, 현재까지 상온 및 공기 중에서 불안정하여 추가적인 응용이 불가능했다.
[연구내용] IBS 나노입자 연구단은 26개의 원자로 만들어진 세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 합성하고, 그 클러스터 수십 억 개를 뭉쳐서 거대구조(suprastructure)를 만들었다. 기존에 사용하던 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체하고, 현택환 단장 연구팀이 개발하여 전 세계적으로 균일한 나노입자를 합성하는데 널리 이용되는 승온법으로 클러스터를 합성했다.
우선, 연구진은 망간이온(Mn2+)이 치환된 13 개의 카드뮴셀레나이드((CdSe)13)과 13 개의 아연셀레나이드((ZnSe)13) 클러스터가 각각 3차원적, 2차원적으로 규칙적으로 배열된 거대구조를 합성했다. 합성된 거대구조는 상온 및 공기 중에서도 안정적이었으며, 발광효율이 1%에 불과했던 기존 반도체 클러스터 대비 발광효율이 72배가량 향상 되었다.
망간이온이 치환된 13 개의 카드뮴-아연 셀레나이드 합금 나노클러스터 거대구조(Mn2+:(Cd1-xZnxSe)13)를 또한 개발했다. 연구진은 이 거대구조를 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료로 전환하는 반응의 촉매로 응용하여, 높은 촉매 효율을 확인했다.
[향후 연구계획] 연구진은 이 반도체 클러스터 거대구조가 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대하고 있다. 구체적으로 현택환 단장 연구팀은 증대된 발광 효율을 활용하여 반도체 클러스터 거대구조를 다양한 반응의 광촉매로 사용해 볼 예정이다. 또한, 클러스터 거대 구조의 높은 발광 효율과 촉매 효율을 나타내는 메커니즘을 탐구하기 위해 반도체 클러스터의 정확한 구조를 단결정 X-ray 분석법을 통해 밝히려고 한다.
그 림 설 명
[그림1] 반도체 클러스터의 응집 거대구조 형성 과정
연구진은 망간이온이 치환된 세계에서 가장 작은 반도체 즉, 반도체 클러스터가 이중 자리 리간드를 사용할 때 13개의 카드뮴셀레나이드(Mn2+:(CdSe)13) 클러스터가 3차원 거대구조로 성장함을 확인했다. 오른쪽 위 이미지는 응집 거대구조를 전자 현미경으로 관찰한 모습이다. 오른쪽 아래 이미지는 이 거대구조가 고발광 효율을 가진다는 특성을 활용하여 전구모양을 형성해본 모습이다. 연구진은 반도체 거대구조의 추후 차세대 반도체 분야 발광 소재로의 응용 가능성을 확인했다.
[그림2] 반도체 클러스터 거대구조의 촉매적 특성
연구진은 반도체 클러스터 거대구조를 이산화탄소(CO2)를 화장품 및 플라스틱의 원료 등 유용한 유기물질로 전환하는 반응의 촉매로 사용하였다. 총 26개의 원자로 이루어진 반도체 클러스터 내 원자 단위에서 정확한 비율로 카드뮴과 아연을 조합하여 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 반도체 클러스터 거대구조를 합성할 수 있었다. 이때 금속 간의 시너지 효과로 인해 카드뮴과 아연의 양이 같을 때 촉매 효율이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한 촉매 효율은 여러 번의 반응을 진행해도 전혀 감소하지 않았다.
연구진 이력사항
<현택환 나노입자 연구단 단장, 교신저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 단장
서울대학교석좌교수 화학생물공학부
2. 경력사항
2017 – 현재 서울대학교 석좌교수; 중견석좌교수 (2010-2016)
2010 – 현재 미국화학회지(JACS) 부편집장
2012 – 현재 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 단장
2013 – 현재 미국재료연구학회(MRS) 석학회원(Fellow)
3. 전문 분야 정보
2002 젊은과학자상(대통령상), 이달의 과학기술자상(과기부장관상)
2008 POSCO 청암과학상
2011 세계 100대 화학자 선정(UNESCO&IUPAC 화학분야 37위; 재료과학분야 19위)
2012 호암공학상
2014 ~ 2020 Highly Cited Researcher (Clarivate Analytics), 화학과 재료과학 2개 분야
2016 대한민국 최고과학기술인상(대통령상)
2016 국제진공과학기술응용연합 (IUVSTA) 기술상
<백운혁 IBS 나노입자 연구단 연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 서울대학교 화학생물공학부
기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단
<메갈아마네 붓다라주(Megalamane S. Bootharaju) IBS 나노입자 연구단 선임연구원, 공동 제1저자>
1. 인적사항
○ 소 속 : 서울대학교 화학생물공학부
기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단
2. 경력사항
2014 - 2018 King Abdullah University of Science and Technology,
KSA (Postdoc)
2018 - 현재 기초과학연구원 나노입자연구단 선임연구원