2021년 02월 27일(토)

IBS, '이산화탄소→유용물질 전환'…원자로 만든 반도체 이용

에너지경제신문   | 입력 2021.01.19 01:00   수정 2021.01.18 17:16:40
반도체 클러스터

▲반도체 클러스터 거대 구조를 만드는 과정 모식도(자료=기초과학연구원)



[에너지경제신문 오세영 기자] 기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장 연구팀이 원자로 만든 반도체를 이용해 이산화탄소를 유용물질로 전환하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

최근 나노과학 분야에서 새로운 물리·화학적 성질을 가진 수십 개의 원자로 구성된 ‘반도체 클러스터’에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 반도체 클러스터는 여러 개의 원자가 뭉쳐 하나의 원자와 비슷한 성질을 보이는 것을 뜻하며 ‘분자 클러스터’라고도 불린다.

기존 나노미터(㎚·10억분의 1m) 크기 입자보다 작으면서 정확한 개수의 원자로 돼 있어 원하는 물성을 정확히 구현할 수 있다는 장점이 있다.

하지만 그 동안 상온에서 적용하는 게 어려웠다. 이에 연구팀은 반도체 클러스터를 둘러싼 ‘리간드(중심 원자에 결합해 화합물을 만드는 분자나 이온)’에 주목했다.

기존 단일 자리 리간드(한 개의 중심 원자와 결합하는 리간드)를 이중 자리 리간드(중심 원자 두 개와 결합할 수 있는 리간드)로 대체해 안정성을 높였다.

이어 13개의 카드뮴 셀레나이드 원자와 13개의 아연 셀레나이드 원자가 각각 배열된 거대 구조를 합성해 반도체 클러스터를 만들었다.

기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 변형이 일어난다. 그러나 연구팀이 합성한 구조는 1년 이상 안정성을 유지하는 것으로 나타났다. 발광 효율도 72배나 높았다.

같은 방식으로 원자 단위에서 카드뮴과 아연을 섞어 26개 원자로 이뤄진 카드뮴-아연 셀레나이드 합금 클러스터를 개발했다.

이를 촉매로 활용해 상대적으로 낮은 온도와 압력에서도 이산화탄소를 화장품과 플라스틱의 원료인 ‘프로필렌 카보네이트’로 변환하는 데 성공했다.

1시간에 1개의 반도체 클러스터가 3000개의 이산화탄소 분자를 프로필렌 카보네이트로 바꿀 수 있다고 연구팀은 설명했다.

현택환 단장은 "세상에서 가장 작은 반도체 클러스터를 상온에서도 안정적인 구조로 구현하고, 이산화탄소를 유용물질로 전환하는 데도 활용할 수 있음을 증명했다"며 "미래 반도체 소재 개발에 기여할 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘네이처 머터리얼스’(Nature Materials)에 실렸다.

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