[한국대학신문 이정환 기자] 화장품부터 백신, 반도체, 배터리까지 우리가 일상에서 사용하는 많은 제품에는 눈에 보이지 않을 정도로 작은 ‘나노입자’가 숨어있다. 이처럼 작지만 놀라운 기능을 가진 나노입자는 어떤 재료로 만들고, 어떤 구조로 조립하느냐에 따라 기능이 완전히 달라지기 때문에, 이를 정밀하게 설계하고 만드는 나노입자 합성 기술은 매우 중요하다고 볼 수 있다.

경기대학교 화학과 박종식 교수(교신저자) 연구팀은 나노입자 내부 결정 구조에 존재하는 특정 화학결합을 마치 도로 위의 방지턱처럼 활용해 이온의 이동 경로를 선택적으로 제어하고 특정 층에만 이온이 확산될 수 있도록 유도하는 새로운 나노입자 합성 전략을 보고했다. 이번 연구 결과는 경기대 조수인 석사 연구원, 한국기초과학지원연구원(KBSI) 김태경 박사, 텍사스 A&M 대학교 이치호 박사가 공동 제1저자로 참여했다.

연구팀이 활용한 ‘양이온 치환 반응 (cation exchange reaction)’ 은 나노입자의 속 재료를 바꾸는 기술이다. 겉 모양은 그대로 둔 채 속에 있는 금속 이온을 다른 걸로 갈아끼우는 방식이다. 마치 쿠키 모양은 그대로 두고 안에 들어가는 재료만 초콜릿에서 딸기로 바꾸는 것과 같은 원리이다. 이를 활용하면 기존에 관찰하지 못한 새로운 구조, 조성을 가지는 나노입자를 창출할 수 있게 된다.

해당 전략을 기반으로 경기대 연구팀이 합성한 ‘층상 교차 구조(Layer-by-Layer Interdigitated Nanoplates)’는 마치 손가락을 맞잡은 것과 같은 다른 물질군이 교차되는 구조인데, 이로 인해 두 물질군과 차별화 되는 전자 구조 및 물성이 관찰될 가능성이 있다. 이를 활용하면 추후에 차세대 반도체, 고감도 센서, 고효율 촉매 등 다양한 첨단 소재 응용으로 이어질 수 있을 것으로 예상된다.

박종식 교수는 “이번 연구는 나노소재 내에서 이온의 흐름을 선택적으로 억제하도록 정교하게 설계함으로써, 원자 단위 계면 제어 기술의 새로운 가능성을 제시한 것”이라며 “향후 다양한 재료 시스템에 이 전략을 적용해 새로운 기능성 나노소재를 설계하는 기반 기술로 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 국제 재료 및 화학 분야에서 세계적으로 권위 있는 최고 수준의 학술지 미국학회지 〈Journal of the American Chemical Society〉 (J. Am. Chem. Soc. : 인용지수(IF) = 14.5) 4월호에 게재됐다.

본 연구는 한국연구재단(NRF)의 우수신진 및 리더연구 사업과 한국기초과학지원연구원 (KBSI) 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.