학계 난제 '3차원 나노입자 관찰' 가능…사이언스 표지 논문 선정
나노재료 합성 핵심 단서…"디스플레이·연료전지·신약 개발 파급" 삼성과 기초과학연구원(IBS) 지원을 받은 박정원 교수 연구팀이 세계 최초로 개별 나노입자의 3차원 구조와 변화를 0.02나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 단위로 정밀하게 관찰해 분석하는 데 성공했다.
이 연구를 통해 나노입자 소재의 물리·화학적 특성을 결정하는 그 표면 구조를 직접 관찰하고 그에 영향을 미치는 요인을 분석할 수 있게 됐다.
이 연구는 학계 난제였던 나노입자의 표면 구조와 변화 요인을 규명한 성과를 인정받아, 세계적 권위의 학술지 '사이언스(Science)'에 3일자 표지 논문으로 선정됐다.
이 연구는 디스플레이, 연료 전지, 신약 등 다양한 산업 분야에서 나노입자 설계 및 합성을 통한 신소재 개발을 앞당길 것으로 기대된다.
3일 삼성전자, 과학기술정보통신부는 IBS 나노입자연구단의 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 호주 모나쉬대학교, 미국 로렌스버클리국립연구소와 공동으로 수행한 이 연구의 성과를 발표했다.
나노입자는 수십 내지 수백 개 원자로 이뤄진 1㎚ 이하 크기의 작은 물질이다. 차세대 디스플레이, 연료전지 촉매, MRI 조영제 등 여러 산업 분야에 사용되고 있다. 나노입자 원자 배열의 미세한 변형에도 디스플레이 색 순도를 향상시키거나 연료전지의 촉매 성능을 개선시킬 수 있다.
성능을 개선하는 등 원하는 성질을 갖는 나노소재를 설계하고 합성하려면 그 구조를 면밀히 파악하는 것이 중요한데 이에 어려움이 있었다. 이제까지는 나노입자의 크기나 형상 등 2차원 정보만 얻을 수 있고 원자배열과 같은 3차원 정보를 얻지 못했기 때문이다.
연구진은 나노입자의 3차원 구조를 0.02㎚의 정확도로 관찰할 수 있는 분석 기법을 세계 최초로 개발했다. 이는 가장 작은 원소인 수소 원자의 6분의 1 수준에서 나노입자를 관찰한 것이다.
연구진은 이를 위해 나노입자가 액체 상태에서 스스로 회전하는 현상을 이용했다. 나노입자를 촬영할 수 있는 투과전자현미경(TEM)용 특수 용기 '액체 셀(Liquid Cell)'과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리듬(algorithm)을 자체 개발했다.
연구진은 이 액체 셀에 원자 구조를 분석할 나노입자를 담고 그 회전하는 모습을 초당 400장씩 촬영한 2차원 이미지를 수천 장 얻었다. 이는 각 나노입자의 구조 정보를 포함하는 수백 내지 수천 기가바이트(GB) 용량의 이미지 빅데이터다.
연구진은 이후 자체 개발한 빅데이터 알고리듬을 활용해, 이 2차원 평면 이미지를 3차원 입체 데이터로 재구성했다. 알고리듬은 이미지 빅데이터를 확률적으로 분석하는 계산과 개별 나노입자를 추적하는 계산을 수행했다.
이 분석 기법으로 용액 상에서 합성된 백금(Pt) 나노입자의 3차원 원자 배열을 관찰하고, 그 표면 구조 상태와 변화 요인을 규명했다. 동일 조건에서 합성된 나노입자라 하더라도 원자 수준에서의 구조는 제각각 다르다는 점을 알게 됐다.
연구 결과는 QD디스플레이의 색 순도와 휘도 향상, 석유화학 산업과 연료전지 등에서 사용되고 있는 촉매의 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등 다양한 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다.
박정원 교수는 연구 결과에 대해 "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 설명했다.
이어 "이번 연구에서 제시한 방법을 활용하면 수많은 종류의 나노 입자 구조를 원자 수준에서 분석할 수 있다"며 "나노 입자의 3차원 구조 분석 기술은 나노 입자뿐 아니라 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다"고 말했다.
이 연구는 지난 2011년 설립된 국내 유일 기초과학 전담 연구기관 IBS와 지난 2013년 설립된 삼성그룹 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다. 삼성미래기술육성재단은 이 연구를 지난 2018년 11월 지원 대상으로 선정했고, 설립 이래 지금까지 561개 과제에 7189억 원의 연구비를 집행했다.
KPI뉴스 / 임민철 기자 imc@kpinews.kr
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