IBS 박정원 연구위원(서울대 교수) 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 김성인, 김병효, 박정원 교수, 아랫줄 왼쪽부터 강도훈, 허준영(사진=삼성전자 제공)
국내 연구진이 해외 공동 연구를 통해 세계 최초로 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터(10억분의 1미터)의 정확도로 분석하는데 성공했다. 이 기술은 QD디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 다양한 과학 기술 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다.
3일 삼성전자에 따르면, 삼성미래기술육성사업이 지원한 기초과학연구원(IBS) 나노 입자 연구단 박정원 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구팀이 나노 입자의 ‘3차원 증명사진’을 촬영할 수 있는 기술을 개발했다. 이 연구는 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소와 공동으로 진행됐다.
이번 연구결과는 난제로 여겨졌던 나노 입자의 표면 구조와 변화 요인을 규명한 성과를 인정받아 세계적인 학술지 '사이언스'의 이날자 표지 논문으로 선정됐다.
액체 셀에 담긴 백금 나노 입자 모습. 2.5나노미터(사진 왼쪽)와 4.0나노미터(오른쪽)의 백금 나노 입자를 관찰한 모습으로 붉은 점은 산소, 회색은 수소, 검은색은 탄소, 노란색은 백금을 의미(사진=삼성전자 제공)
◇나노 입자의 3차원 구조 0.02나노미터 정확도 분석 기술 세계 최초 개발나노 입자는 수십에서 수백개의 원자로 이루어진 1나노미터 이하의 물질로 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, MRI 조영제 등 산업 분야에서 사용된다. 특히 원자 배열의 미세한 변형에도 디스플레이 색 순도를 향상시키거나 연료전지의 촉매 성능을 개선시킬 수 있어 구조를 면밀히 파악하는 것이 중요하다. 지금까지는 나노 입자의 원자 배열 등 3차원 정보 확인은 불가능했다.
나노 입자의 '3차원 증명사진'을 얻는 과정. 나노 입자가 액체 상태에서 자발적으로 회전하는 현상에 주목해 나노 입자를 연속으로 촬영 후 획득한 서로 다른 2차원 평면 이미지를 빅데이터 알고리듬을 이용해 3차원 데이터로 재구성(사진=삼성전자 제공)
박정원 교수 연구팀은 나노 입자가 액체 상태에서 자발적으로 회전하는 현상에 주목해 회전하는 나노 입자를 연속으로 촬영할 수 있는 특수 용기인 '액체 셀'과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리듬을 자체 개발했다. 이를 이용해 액체 셀에 나노 입자를 담아 투과전자현미경으로 초당 400장의 이미지를 촬영해 얻은 서로 다른 2차원 평면 이미지를 빅데이터 알고리듬을 이용해 3차원 데이터로 재구성하는데 성공했다. 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터의 정확도로 분석할 수 있는 기법을 세계 최초 개발로, 백금(Pt)을 이용해 나노 입자의 3차원 원자 배열을 확인했다.
백금 나노 입자의 '3차원 증명사진'(사진=삼성전자 제공)
◇QD디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등에 적용 가능이번 연구로 나노 입자의 표면 구조 상태와 변화 요인을 규명하면서 QD디스플레이의 색 순도와 휘도 향상, 연료전지의 촉매 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등 다양한 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 보인다. 박정원 교수는 “이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 수많은 종류의 나노 입자 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있다”며 “이 분석 기술은 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다”고 말했다.
'3차원 증명 사진'으로 확인한 나노 입자의 구조적 차이. 원자가 잘 정렬된 왼쪽 나노 입자와 달리, 오른쪽 나노 입자는 내부에 결함이 있는 것을 확인 할 수 있음(사진=삼성전자 제공)
이번 연구는 지난 2018년 삼성미래육성사업의 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 기초과학연구원 연구단 지원 사업의 지원도 받아 수행됐다. 삼성미래기술육성사업은 지난 2013년부터 10년간 1조5천억원을 지원하기로 하고, 지금까지 561개 과제에 7189억원의 연구비를 집행했다.