"탄소 양자점 발광 필름이 형광등 색 좌표와 같다는 사실 밝혀내"
탄소의 동소체로는 다이아몬드, 흑연, 비정질 탄소가 있으며 우리 일상생활의 여러 분야에서 중요하게 활용되고 있다. 최근에는 플러렌이라 불리는 나노튜브, 축구공 모양의 C60, 그리고 그래핀 등 다양한 형태의 탄소 나노소재가 커다란 관심을 이끌고 있다. 이러한 탄소나노소재는 그 물성이 독특하여 다양한 분야에서 응용될 것이라 기대되고 있으며, 나노기술과 관련한 많은 연구가 진행되고 있다. 탄소 양자점 소재는 최근에 발견된 또 하나의 탄소 동소체로 기존의 양자점 소재가 카드뮴이나 납 등 독성을 띄는 중금속 원소로 만들어지는데 비해 비교적 쉽고 저렴하게 만들 수 있다는 장점이 있다. 이러한 양자점 소재는 태양전지, 발광다이오드, 트랜지스터, 양자 컴퓨터 등 각종 전자소자뿐만 아니라 바이오 이미징(조영제) 등에도 응용 가능하다.
태양전지나 양자 컴퓨터, 조영제 등 다양한 분야에 응용될 차세대 소재인 탄소 양자점을 링거액에 들어가는 포도당으로 만들어 내는데 성공한 연구가 작년 과학계를 뜨겁게 달구었다. 그 주인공은 포스텍 정보전자소재연구실의 이시우 교수 연구팀으로, 첨단 신소재를 기존의 문제점으로 꼽혔던 독성을 제거함과 동시에 값싸게 만들 수 있어 화제가 된 것이다.
양자점은 우수한 광·전기적 특성 및 내구성을 가지지만 유독하고 값이 비싸며 고온의 합성 공정이라는 단점을 안고 있었다. 이에 양자점의 문제를 해결하기 위한 연구가 진행되며, 최근에는 탄소를 다양한 방법으로 처리하여 탄소기반의 양자점을 합성하는 연구가 크게 주목 받았다. 탄소 양자점은 값싸고 무독한 유기물을 기반으로 저온에서 간편하게 합성이 가능하기 때문에 최근 생명과학 분야에서 큰 관심을 받고 있지만 기존의 방법으로는 원하는 크기의 탄소 양자점을 균일하게 합성하기 어렵다는 점과, 띠 간격 조절이 어렵고 양자수득률이 낮아 이를 이용한 응용 관련 연구는 미비한 실정이었다. 하지만 이시우 교수 연구팀이 계면활성제가 들어간 기름에 포도당 수용액을 넣어 균일한 크기를 갖는 역마이셀 형태의 유화액을 만들어 냈다.
이 교수는 “이 용액을 200℃로 가열하면 포도당 분자가 탄소화 반응을 일으켜 균일한 크기의 탄소 양자점이 합성된다”며 “탄소 양자점의 크기를 좌우하는 역마이셀의 크기는 포도당 수용액과 계면활성제의 비율을 통해 손쉽게 조절이 가능하다”고 밝혔다. 이러한 탄소 양자점 합성 관련 연구결과는 영국왕립화학회가 발간하는 화학분야 권위지 Chemical Communications에 표지 논문 발표를 비롯한 여러 국제학술지에 게재되어 그 우수성을 입증하였다. 역마이셀법을 통해 합성된 탄소 양자점은 40% 이상의 높은 양자수득률 (기존 10% 내외)과 가시광선 영역에서 강한 발광을 나타내기 때문에 다양한 형태의 발광 소자에 적용이 가능하다.
이시우 교수 연구팀이 탄소 양자점을 고분자 필름에 분산하여 제작한 대면적 발광 필름은 자외선을 가시광선으로 변환하는 역할을 한다. 따라서 InGaN 발광 다이오드 등 다양한 자외선 발광 다이오드와 결합해 백색광을 발생할 수 있으며 실험을 통해 발생된 백색광이 형광등과 같은 색 좌표를 갖는다는 사실을 밝
혀냈다. 이러한 발광 필름은 유연성, 환경 친화성, 열적 안정성, 대량 생산성 등의 장점을 가지고 있어, 미래 다양한 형태의 유연성 발광 소자 제작의 밑거름이 될 것으로 예측하고 있다. 특히, 에너지 효율이 높은 조명기기의 산업화가 진행되고 있는 현 시점에서 기존의 발광체로의 응용이 기대되고 있다. 이 교수는 “현재 탄소 양자점에 탄소 이외의 물질을 도핑 하여 발광 성능을 개선하는 연구와 표면 기능기를 조절하여 전자이동도를 개선하는 연구를 진행하고 있으며, 추후 탄소 양자점의
반도체적 성질을 이용해 발광 다이오드, 태양전지, 센서 등 다양한 광전자소자를 개발할 예정”이라고 밝혔다.
취재_김미주 기자
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