"나노입자 3차원 구조, 원자 수준까지 포착"…IBS 나노입자연구단 성과

IBS 나노입자연구단 박정원 연구위원 연구팀 성과 거둬

세계 최고 권위 학술지 '사이언스' 표지 논문으로 게재

나노입자의 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 기초과학연구원(IBS) 박정원 연구위원(서울대 교수) 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 김성인, 김병효, 박정원 교수. 아랫줄 왼쪽부터 강도훈, 허준영. (삼성전자 제공) 2020.04.02/뉴스1

(서울=뉴스1) 조소영 기자 = 우리나라 연구진이 세계 최초로 나노 입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는데 성공했다. 디스플레이와 연료전지, 신약 개발 등 다양한 과학 기술 분야 발전에 청신호가 켜졌다는 전망이다.

3일 기초과학연구원(IBS)은 나노입자연구단 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리 국립연구소와 함께 0.02나노미터(nm)까지 관찰할 수 있는 분석기법을 개발, 개별 나노입자의 3차원 구조를 원자 수준에서 포착하는 성과를 거뒀다고 밝혔다.

고성능의 나노소재를 설계하고 합성하기 위해서는 그 구조를 제대로 파악하는 것이 중요하지만 지금까진 나노입자의 전체적 형상만 관찰할뿐 원자 배열을 입체적으로 관찰할 수 있는 방법이 없었다. 나노입자의 원자 배열이 미세하게 바뀌면 촉매의 활성이 저하되거나 디스플레이의 색 순도가 바뀌는 등 물성이 달라진다.

연구진은 이에 나노입자가 녹아있는 극미량의 용액을 담을 수 있는 특수용기인 액체 셀(Liquid Cell)을 자체 개발했다. 이어 액상 투과전자현미경(Liquid Cell TEM)을 이용해 나노입자를 관찰했다. 액상 투과전자현미경은 용액 내에서 회전하는 나노입자를 관찰하며 초당 400장의 이미지를 촬영한다.

이후 연구진은 개별 나노입자의 위치를 추적하며 촬영된 수천장의 이미지를 3차원으로 재구성하는 알고리즘으로 정밀한 입체구조를 얻었다. 이를 통해 용액상에서 합성된 백금(Pt) 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰했다. 연구진은 동일한 조건에서 만들어진 나노입자라 하더라도 원자 수준에서는 배열 등 구조가 제각각 다름을 확인했다.

이번 연구는 나노소재의 물리·화학적 특성을 결정하는 표면구조를 직접 관찰할 수 있게 됐고 또 표면구조에 영향을 미치는 요인을 분석할 수 있게 됐다는 점이 성과다. 이를 통해 촉매의 성능 개선, 디스플레이의 색 순도 향상 등 다양한 응용 분야에 파급 효과가 있을 것이란 전망이다.

김병효 연구위원은 "이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 추측만 해오던 나노입자의 정밀구조를 원자 수준에서 직접 관찰하고 다양한 나노입자의 성능 향상에 기여할 수 있다"고 말했다.

박정원 연구위원은 "인공지능으로 물질의 성질을 예측하고 합성하는 것이 미래 소재 개발의 중요한 방법론으로 대두되고 있다"며 "촉매, 디스플레이, 신약 개발 등 광범위한 과학기술 분야에서 나노재료의 설계 및 합성에 중요한 단서를 제시한 것"이라고 언급했다.

과학기술정보통신부와 IBS는 이번 성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 41.037) 4월3일자 표지논문으로 게재됐다고 밝혔다.

한편 이번 연구는 IBS를 비롯해 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다. 삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 지난 2013년부터 10년간 1조5000억원의 지원을 계획하고 있다. 지금까지 561개 과제에 7189억원의 연구비를 집행했다.
cho11757@news1.kr

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