IBS 박정원 위원 연구팀, 0.2㎚ 정확도로 나노입자 원자배열 분석
나노입자의 ‘3차원 증명사진’을 촬영할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 박정원 IBS 연구위원 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 시계방향으로 김성인, 김병효, 박 교수, 허준영, 강도훈. 삼성전자 제공

국내 유일 기초과학 연구기관인 기초과학연구원(IBS) 연구팀이 세계 최초로 나노입자에 대한 3차원 구조 분석 수준을 획기적으로 향상하는 기법을 개발했다. 디스플레이, 연료전지, 신약 등 다양한 산업 분야에서 파급 효과가 예상된다. 세계적 학술지 ‘사이언스’의 표지 논문으로 선정된 이번 연구 성과는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받았다.

2일 삼성전자에 따르면 IBS 나노입자연구단 소속 박정원 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 호주 모나쉬대, 미국 로렌스버클리국립연구소와 공동으로 나노입자의 표면구조와 변화 요인을 규명하고 관련 논문을 사이언스 최신호(3일자)에 게재했다. 나노입자는 수십~수백 개의 원자로 이뤄진 1나노미터(㎚, 1㎚=1억 분의 1m) 이하 크기의 물질이다.

연구팀은 나노입자의 원자 배열 등 종전 기술로 확인하기 어려웠던 구조 정보를 파악하기 위해 새로운 기법을 고안했다. 나노입자가 액체 상태에서 자발적으로 회전하는 현상에 착안, 나노입자 회전을 연속 촬영할 수 있는 특수용기 '액체 셀(Liquid Cell)'과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리즘을 자체 개발한 것이다. 이를 통해 액체 셀에 담긴 나노입자를 투과전자현미경으로 고속 촬영(초당 400장)한 평면 이미지를 3차원 형태로 재구성해 0.02㎚의 정확도로 분석할 수 있게 됐다. 연구팀 관계자는 “지금까지 입자 크기나 전체 형상 등 2차원적 정보 관찰만 가능했던 나노입자 구조 분석법을 원자 배열 등 3차원 정보를 확인할 수 있는 수준으로 끌어올렸다”고 설명했다.

연구팀은 이를 바탕으로 나노입자의 물리화학적 특성을 결정짓는 표면구조 상태 및 변화 요인을 규명했다. 나노입자는 원자 배열의 미세한 변형에도 성질이 달라지는 만큼, 이번 연구 결과는 디스플레이의 색 순도와 휘도 향상, 연료전지 촉매 성능 개선, 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발 등 다양한 분야에 응용될 전망이다.

이번 연구는 2018년 11월 삼성미래육성사업 과제로 선정돼 연구 지원을 받았다. 삼성전자는 국가 미래기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5,000억원을 지원하기로 하고, 지금까지 561개 과제에 7,189억원의 연구비를 집행했다.

이훈성 기자 hs0213@hankookilbo.com

박정원 IBS 연구위원 연구팀이 3차원 이미지로 구성한 백금 나노입자. 삼성전자 제공

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