초소형 반도체 만들어 이산화탄소를 화장품 원료로 탈바꿈

IBS 현택환 단장 연구진, 원자 26개로 된 반도체 개발
초소형 반도체 뭉친 촉매로 이산환탄소를 유용물질로 전환
새 합성법으로 만든 초소형 반도체 물질 발광효율 72배 향상

기초과학연구원(IBS) 현택환 나노입자 연구단장팀이 망간이온이 바뀐 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터와 13개의 아연셀레나이드 클러스터를 합성해 반도체를 만들었다. 오른쪽 위 이미지는 응집 거대구조를 전자 현미경으로 관찰한 모습이다. 오른쪽 아래 이미지는 이 거대구조가 고발광 효율을 가진다는 특성을 활용하여 전구모양을 형성해본 모습이다. IBS 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 세상에서 가장 작은 반도체를 만들었다. 연구진은 이 반도체를 촉매로 활용해 이산화탄소를 화장품이나 플라스틱의 원료물질을 만드는데 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장팀이 원자 26개로 구성된 반도체를 개발했다고 19일 밝혔다. 이와함께 이 반도체를 촉매로 활용해 이산화탄소를 '프로필렌 카보네이트'로 만드는데 세계 최초로 성공했다.

현택환 단장은 "반도체 클러스터의 조성을 조절해 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 만들어 향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것"이라고 전망했다.

연구진은 망간이온이 바뀐 13개의 카드뮴셀레나이드 클러스터와 13개의 아연셀레나이드 클러스터를 합성해 반도체를 만들었다. 이때 온도를 서서히 올려가며 나노입자를 합성하는 승온법을 적용했다.

이렇게 합성된 클러스터 수십억개를 2차원 또는 3차원적으로 규칙성 있게 배열해 거대구조(suprastructure)를 만들었다. 연구진이 합성한 새로운 거대구조는 1년 이상 안정성을 유지했다. 연구진이 만든 거대구조는 발광효율이 1%에 불과했던 기존 반도체 클러스터 대비 발광효율이 72배가량 향상됐다.

기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 그 구조에 변형이 일어나 지금까지 응용 사례가 없었다.

총 26개의 원자로 이뤄진 반도체 클러스터 내 원자 단위에서 정확한 비율로 카드뮴과 아연을 조합해 카드뮴-아연 합금 셀레나이드 반도체 클러스터 거대구조를 합성했다. 이때 금속 간의 시너지 효과로 인해 카드뮴과 아연의 양이 같을 때 촉매 효율이 가장 우수했다. IBS 제공

또 연구진은 이 반도체를 이용해 이산화탄소 전환 촉매를 만들었다. 이 촉매는 통상적으로 반응이 일어나는 온도와 압력에 비해 저온·저압 환경에서도 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료물질인 '프로필렌 카보네이트'로 만들었다.

연구진이 촉매를 만들때 카드뮴과 아연이 원자 단위에서 반씩 섞인 클러스터 거대구조에서 두 금속 간의 시너지 효과가 유발돼 촉매 활성이 향상되는 것을 확인했다.

제1저자인 백운혁 연구원은 "온화한 조건에서 1시간에 1개의 클러스터가 3000개의 이산화탄소 분자를 프로필렌 카보네이트로 변환하는 높은 전환율을 보였다"고 말했다.

이번 연구결과는 재료분야 세계적 권위지인 '네이처 머터리얼스'에 19일(한국시간) 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자