기초과학연구원(IBS)에서 26개의 원자로 구성된 초소형 반도체를 개발했다. 그와 동시에 이를 활용하여 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료물질인 ‘프로필렌 카보네이트’로 전환하는 데 성공했다.
이에, 차세대 디스플레이 소자는 물론, 환경오염 문제까지 해결할 수 있는 물질로 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.
반도체 클러스터는 여러 개의 원자가 뭉쳐 하나의 원자와 유사한 성질을 보이는 것으로 분자 클러스터라고도 한다.
클러스터는 기존 나노미터 크기의 입자보다 작으면서도 정확한 개수의 원자로 구성돼, 원하는 물성을 구현할 수 있다. 반도체 클러스터는 다양한 응용이 가능성으로 주목받았지만, 상온 및 공기 중에서는 불안정하여 응용 사례가 전무했다.
연구진은 반도체 클러스터의 안정성 개선을 위해 기존 반도체 클러스터를 둘러싼 '리간드'에 주목했다.
클러스터의 안정성을 높이기 위해 기존 반도체 클러스터의 단일 자리 리간드를 이중 자리 리간드로 대체하였다.
단일 자리 리간드는 중심 금속 원자 하나와 결합할 수 있는 리간드이며, 이중 자리 리간드는 금속 원자 두 개와 결합할 수 있는 리간드를 뜻한다. 두 손을 마주 잡는 것이 한 손으로 잡는 것보다 더 견고한 것처럼 이중 자리 리간드가 단일 자리 리간드보다 훨씬 더 견고하다.
이후, 13개의 카드뮴 셀레나이드 클러스터와 13개의 아연 셀레나이드 클러스터를 합성했다. 그리고, 이를 규칙성 있게 배열하여 거대구조를 만들었다. 기존 반도체 클러스터는 공기 중에서 30분이 지나면 그 구조에 변형이 일어났지만, 새로운 거대구조는 1년 이상의 안정성을 유지했으며, 발광 효율 역시 기존 대비 72배 향상됐다.
연구진은 이를 촉매로 활용하면 반응이 이뤄지는 온도와 압력보다 저온·저압 환경에서도 이산화탄소를 화장품 및 플라스틱의 원료 물질인 ‘프로필렌 카보네이트’로 변환하는 반응을 효율적으로 진행할 수 있음을 확인했다.
현택환 단장은 "반도체 클러스터의 조성을 조절하여 전혀 새로운 성질을 가진 반도체 물질을 구현하여, 향후 미래 반도체 소재를 발굴하는 연구에 기여할 것으로 기대된다"라고 말했다.
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