삼성 지원 연구팀, 나노 입자 ‘3차원 증명사진’ 촬영 기술 개발

▲나노 입자의 '3차원 증명사진'을 촬영할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발한 IBS 박정원 연구위원(서울대 교수) 연구팀. 윗줄 왼쪽부터 김성인, 김병효, 박정원 교수, 아랫줄 왼쪽부터 강도훈, 허준영. (사진제공=삼성전자)

삼성미래기술육성사업이 지원한 연구팀이 세계 최초로 나노 입자를 3차원 구조로 재현할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 디스플레이, 연료전지, 신약 개발 등 다양한 분야에 활용할 수 있다.

삼성전자는 기초과학연구원(IBS) 나노 입자 연구단 박정원 연구위원(서울대학교 화학생물공학부 교수) 연구팀이 나노 입자의 3차원 구조를 0.02나노미터(nmㆍ10억분의 1m)의 정확도로 분석하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

이 연구는 호주 모나쉬대학교(Monash University), 미국 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)와 공동으로 진행됐다.

연구 결과는 세계적인 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3일자 표지 논문으로 선정됐다.

나노 입자는 수십에서 수백 개의 원자로 이루어진 1나노미터 이하의 물질이다. 지금까지는 나노 입자의 크기나 전체적 형상 등 2차원 정보만 관찰 가능할 뿐, 나노 입자의 원자 배열 등 3차원 정보 확인은 불가능했다.

연구팀은 나노 입자를 연속으로 촬영할 수 있는 특수 용기인 ‘액체 셀(Liquid Cell)’과 3차원 데이터 구성을 위한 빅데이터 알고리즘(algorithm)을 자체 개발했다. 이를 이용해 액체 셀에 나노 입자를 담아 투과전자현미경으로 초당 400장의 이미지를 촬영해 얻은 서로 다른 2차원 평면 이미지를 빅데이터 알고리즘을 이용해 3차원 데이터로 재구성하는 데 성공했다.

이 기술을 활용하면 불완전한 QD(퀀텀닷) 나노를 구별, 순도가 좋은 QD 나노 입자를 탄생시켜 QD 디스플레이의 색상과 밝기 개선에 적용할 수 있다.

또 단백질 구조 분석을 통한 신약 개발에도 활용할 수 있다. 예컨대, 단백질에 QD 물질을 넣어 암세포에 달라붙게 하면, 레이저 치료 등에서 정확하게 암세포 위치를 찾을 수 있다. MRI(자기공명영상)나 엑스레이(X-ray) 촬영에 조영제를 넣는 것과 같은 원리다.

이밖에 석유화학 산업과 연료전지 등에서 사용되고 있는 촉매의 성능 개선 등 다양한 분야에서 파급 효과가 있을 것으로 전망된다.

박정원 교수는 “나노 입자의 3차원 구조 분석 기술은 나노 입자뿐 아니라 단백질과 같은 생체 분자에도 적용이 가능해 새로운 융합 연구에도 활용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 2018년 11월 삼성미래육성사업의 과제로 선정돼 연구 지원을 받고 있으며, 기초과학연구원 연구단 지원 사업의 지원도 받아 수행됐다.

삼성미래기술육성사업은 국가 미래 과학기술 연구 지원을 위해 2013년부터 10년간 1조5000억 원을 지원할 예정이며, 지금까지 561개 과제에 7189억 원의 연구비를 집행했다.

▲'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 있다. (사진제공=삼성전자)