▲ DNA로 코팅된 콜로이드 집합체(클러스터)와 구형 입자가 DNA를 이용하여 서로 결합하여 다이아몬드 결정과 파이로클로로 결정이 서로 침투한 라베스 구조가 얻어지는 과정을 보여주는 모식도.

국내 연구진이 나노입자의 조립을 통해 광결정을 만드는데 성공했다. 향후 조립구조에 따른 새로운 기계적 물성의 활용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 이기라 교수(성균관대) 연구팀이 “손실 없이 빛의 흐름을 마음대로 제어할 수 있는 다이아몬드 구조의 광결정을 나노입자들이 스스로 모여 만들어지도록 하는 방법을 최초로 개발했다”고 28일 밝혔다.

광결정은 빛의 반도체로 불리는 주기적인 구조 물질로서 주기에 해당하는 특정 파장의 빛을 선택적으로 완벽하게 반사함으로써 다양한 레이저, 디스플레이 등의 고효율 광소자를 구현할 수 있다.

다이아구조의 광결정은 넓은 범위에서 빛을 선택적으로 반사해 많은 연구진들이 다양한 연구를 해왔지만 실용적인 기술이 보고되지 않았다. 또한 나노 입자들이 스스로 결합해 결정 구조체가 만들어지는 자기조립 방법은 광결정을 제조하기 위한 가장 바람직한 접근 방법이다 구현하는데 많은 어려움을 겪어왔다.

이에 연구진은 구형의 입자와 입자 4개로 이루어진 집합체의 표면에 서로 상보적인 DNA를 코팅하고, 이들을 결합해 MgCu2 구조의 라베스(Laves)상 결정을 얻었다.

라베스 구조는 다이아몬드구조와 파이로클로로로 구조가 서로 침투한 구조로 빈공간이 거의 없어 안정성이 상대적으로 우수해 실험적으로 구현이 쉽고, 파이로클로로 구조를 제거하면 다이몬드 광결정 구조가 얻어질 수 있다.

특히 다이아몬드 구조뿐만 아니라 파이로클로로 구조도 우수한 광결정 구조이기 때문에 둘 중에 한쪽을 선택적으로 제거하면 광결정 물질로 활용될 수 있다. 또한 넓은 광밴드갭으로 이를 구현하면 3차원 공간에서 빛을 다양한 형태로 제어할 수 있다.

이러한 라베스 구조가 실험적으로 마이크로 크기 영역에서 구현된 것은 처음으로 광결정 연구에 활기를 불어넣을 것으로 기대된다.

또한 파이로클로로 구조는 기계적으로 매우 특별한 물성을 갖는 구조체로서 기존의 물질과는 전혀 다른 새로운 기계적인 물성을 보이는 기계적 메타물질로도 활용이 가능하다.

이기라 교수는 “이 연구는 오랫동안 풀지 못했던 3차원 다이아몬드 광결정 구조를 구현한 것이다. 광결정 구조 기반의 디스플레이, 레이저, 센서 분야의 중요한 기반이 되어 광소자에서 광컴퓨터까지 활용될 수 있다. 특히 파이로 클로로 구조는 최근 주목 받고 있는 메타물질에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구성과는 교육부·한국연구재단 글로벌연구네트워크지원사업, 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구원사업(개인연구, 집단연구)의 지원으로 수행되었다. 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 2월 27일자에 게재되었다.