DNA로 코팅된 콜로이드 집합체(클러스터)와 구형 입자가 DNA를 이용하여 서로 결합하여 다이아몬드 결정과 파이로클로로 결정이 서로 침투한 라베스 구조가 얻어지는 과정을 보여주는 모식도. /사진=한국연구재단빛의 방향을 제어하기 위해서는 전자를 제어하는 실리콘 반도체 소재와 같은 광결정 소재가 필요하다. 하지만 일정 수준 이상의 광밴드갭을 가지고 실용화할 수 있는 광결정 소재는 아직 보고되지 않은 상태이다. 물질 내에서 존재할 수 없는 빛의 파장 영역을 말한다.
한국연구재단은 이기라 교수(성균관대) 연구팀이 “손실 없이 빛의 흐름을 마음대로 제어할 수 있는 다이아몬드 구조의 광결정을 나노입자들이 스스로 모여 만들어지게 하는 방법을 최초로 개발했다.”고 밝혔다. 연구팀은 서로 짝을 이루는 유전자 정보를 갖는 DNA를 구형 나노입자와 사면체 모양의 나노입자에 각각 붙이고, DNA가 짝을 이루어 결합하게 하였다. 그 결과, 다이아몬드 구조와 사면체 입자로 형성되는 파이로클로로 구조가 서로 침투한 구조인 라베스(Laves) 구조를 만들어졌다. 연구팀은 이 구조에서 파이로클로로 구조를 없애면 다이아몬드 구조가 얻어질 수 있다고 설명했다.
특히 연구팀이 개발한 다이아몬드형 광결정 구조는 1990년 다이아몬드 구조가 우수한 광결정 구조라는 것이 보고된 이후 26년간 미해결로 남아있던 다이아몬드형 광결정 구조를 빛의 파장 크기 수준에서 실험적으로 구현했다는 점에서 더욱 의미가 크다. 다이아몬드 결정 구조의 광결정은 넓은 광밴드갭을 가지며, 이를 구현하면 3차원 공간에서 빛을 다양한 형태로 제어할 수 있다.
이기라 교수는 “이 연구는 오랫동안 풀지 못했던 3차원 다이아몬드 광결정 구조를 구현한 것”이라며 “광결정 구조 기반의 디스플레이, 레이저, 센서 분야의 중요한 기반이 되어 광소자에서 광컴퓨터까지 활용될 수 있다”라고 말했다. 특히 파이로 클로로 구조는 최근 주목 받고 있는 메타물질에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 교육부·한국연구재단 글로벌연구네트워크지원사업, 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구원사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 2월 27일자에 게재되었다.
이기라 성균관대 교수. /사진=한국연구재단
