성균관대 연구팀, 효소결합 모사해 다이아몬드 구조 형성…네이처지 게재

효소처럼 나노입자 간에 모양 따른 선택결합 유도

초고효율 태양전지·디스플레이·레이저 등 활용기대

9월 24일자 네이처지에 게재

[이데일리 신중섭 기자] 성균관대는 이기라 화학공학과 교수 연구팀과 뉴욕대 연구팀이 나노입자 간에 모양에 따른 선택적 결합을 유도하는 방식으로 다이아몬드 구조를 형성하는 데 성공, 국제학술지 네이처(Nature)지에 게재됐다고 24일 밝혔다.

합한 패치 나노입자의 전자현미경 사진(상단 왼쪽 사진)의 파란색으로 표시한 부분에만 선택적으로 DNA를 코팅하여 효소와 같은 결합(상단 오른쪽 그림)을 유도하여 얻어질 수 있는 다이아몬드 결정 구조의 모식도(사진=성균관대)

연구팀이 개발한 다이아몬드형 광결정 구조는 탄소로 이뤄진 다이아몬드 결정 구조와 같이 나노입자가 3차원 공간에 배열된 결정 구조다. 이는 다이아몬드형 광결정 구조를 빛의 파장 크기 수준에서 실험적으로 구현 가능해졌다는 점에서 의미가 크다. 앞서 지난 1990년 다이아몬드 구조가 우수한 광결정 구조라는 것이 보고된 이후 미해결로 남아있던 과제였다.

연구팀은 지난 2017년 `네이처 머터리얼(Nature Materials)`지에 다이아몬드 구조와 파이로클로로 구조가 상호침투한 라베스(Laves) 구조체를 이용한 연구로 다이아몬드 구조체의 구현이 가능하다는 것을 발표한 바 있다. 이를 바탕으로 광결정 구조를 구현하기 위한 연구를 진행해왔다. 이번 연구는 2단계 제조 과정을 단순화하려는 논의 과정에 새롭게 제안돼 구현된 결과다.

다이아몬드 결정 구조의 광결정은 넓은 광밴드갭을 가지며 이를 구현할 경우 3차원 공간에서 빛을 다양한 형태로 제어할 수 있다. 이러한 다이아몬드 구조체는 빛을 완벽하게 가두거나 제어할 수 있어 향후 초고효율 태양전지, 디스플레이, 초소형 레이저 등 다양한 광학소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

이 교수는 “이 연구는 오랫동안 풀지 못했던 3차원 다이아몬드 광결정 구조를 구현한 것”이라며 “광결정 구조 기반의 태양전지, 디스플레이, 레이저, 센서 등을 비롯하여 광소자에서 광컴퓨터까지 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업(도전형연구) 사업의 지원으로 진행됐으며 뉴욕대 데이비드 파인 교수와 스테파노 사칸나 교수팀과 공동연구로 진행됐다. 연구 성과는 국제학술지 `네이처(Nature)` 에 24일자로 게재됐다.