양자점의 발광세기를 극대화한 광소재 개발 성공
문정희 기자 2018-06-08 11:23 0

국내 연구진이 반도체 나노입자의 발광세기와 안정성을 극대화한 광소재를 개발했다. 우경자 박사(한국과학기술연구원) 연구팀이 반데르발스 힘에 의해 양자점(Quantum Dot)과 실리카입자를 하이브리드함으로써, 최고의 발광세기와 안정성을 확보했다고 한국연구재단은 밝혔다.


양자점은 에너지를 흡수해 빛을 내는 반도체 나노입자를 일컫는다. 유기염료에 비해 우수한 광안정성과 색 순도, 광효율을 가지므로 차세대 발광소자의 핵심기술로 기대되고 있다. 


그러나 양자점은 서로 응집되면서 그 특성을 심각하게 잃어버리는 근원적 문제가 있다. 따라서 양자점보다 10배 이상 큰 친환경 실리카입자 표면에 균일하게 배열하고, 실리카 코팅으로 고정시켜서 응집되지 않도록 하는 기술이 중요하다. 기존에는 양자점 표면을 바꿔야만 이것이 가능했는데, 공정도 복잡하고 광 손실이 적지 않았다.


연구팀은 원래의 입자 사이에 작용하는 약한 힘인 반데르발스 힘을 이용해 하이브리드함으로써 공정의 간편함은 물론, 이론상 최고의 발광세기와 안정성을 갖는 광소재를 개발했다.


반데르발스 힘은 너무 약해서 하이브리드 입자를 만들 수 없는 것으로 인식됐다. 그러나 연구팀은 양자점과 실리카 표면의 접촉면적을 넓혀서 반데르발스 힘을 극대화했다. 게코 도마뱀이 발바닥의 미세섬모를 이용해서 천장에 거꾸로 매달리는 것에 착안한 것이다.


실리카입자 표면을 울퉁불퉁한 소수성 나노구조로 만드니 오목한 부분에 반데르발스 힘에 의해 소수성 양자점들이 끼워졌고 이것을 코팅했다. 이 구조로 인해, 양자점간 간격이 10nm 이상 균일하게 유지되고, 실리카를 코팅한 뒤에도 입자간 응집이 거의 없었다.


합성한 하이브리드 입자는 양자점에 비해 최대 690%까지 증대된 발광세기를 나타냈고, 그 메커니즘을 굴절률 변화로 설명했다. 6W의 자외선 환경에서 양자점은 2일 후 완전히 응집되어 침전되는데 반해, 하이브리드 입자는 5일 이상 초기의 광특성을 유지했다.


우경자 박사는 “이 연구는 최고의 광특성을 발현하도록 양자점과 실리카입자를 물리적 상호작용만으로 하이브리드하는 기술을 개발한 것”이라며, “개발된 광소재는 LED, 디스플레이, 바이오-이미징, 센서 등에 적용될 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.


이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 한국과학기술연구원 미래원천연구사업의 지원으로 수행됐으며, 국제학술지 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters) 4월 19일 자 논문으로 게재됐다. 

 

(그림1) 소수성 양자점과 실리카입자가 하이브리드되는 공정을 보여주는 단면도
울퉁불퉁한 표면을 갖는 소수성 실리카입자(So) 용액과 소수성 양자점(Qo) 용액을 천천히 섞고 저어주면 So의 오목한 부분에 반데르발스 힘에 의해 Qo이 끼워진다(SoQo). 이것을 원심분리해 침전된 고체를 에탄올에 분산하고 실리카로 코팅해주면 SoQoSo/p가 얻어진다. 

 

(그림2) 그림1 과정에 따른 입자들의 (a)TEM 이미지, (b)발광스펙트럼, (c)광안정성
(a)는 차례로 울퉁불퉁한 실리카입자, 양자점이 실리카입자의 오목한 곳에 끼인 모양, 실리카가 코팅된 하이브리드입자를 나타내고 (b)는 각 입자들의 발광세기를 비교 (c)는 6W UV 램프 아래서 하이브리드입자 용액과 양자점 용액이 시간에 따라 변화하는 양상을 비교한 것이다.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 10여 년 전에 양자점을 실리카에 하이브리드해 우수한 광특성을 얻었었고, 광특성을 이상적으로 향상시키는 쉬운 방법에 관심이 많았다. 그러던 중, 천장에 거꾸로 매달려 걸어 다니는 게코 도마뱀의 능력이 나노구조를 갖는 발바닥과 접촉면 사이의 증대된 반데르발스 힘 때문이라는 것을 알게 됐고, 이것을 양자점과 실리카의 하이브리드에 응용하려는 발상을 하게 됐다. 

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 아이디어가 좋아도 이를 구현할 수 있는 손재주가 있어야 하는데, 유혜인 연구원의 섬세한 손재주가 하이브리드를 성공적으로 구현했다. 이러한 재주는 이전부터 양자점과 실리카입자를 다른 방법에 의해 하이브리드 해왔던 경험에서 나온 것으로 생각된다.

 

Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지. 어떻게 극복(해결)했나. 
A. 이상적인 광특성을 구현하는 기본 하이브리드입자를 만들었으니, 이것을 실제로 시스템에 적용해 제품의 성능으로 구현하면 네이처(Nature) 또는 사이언스(Science)에 게재할 수 있다고 생각했다. 그래서 LED 조명에 적용하려고 blue LED 칩을 구해서 그 위에 백색광을 내도록 적용해 우수한 성능을 확인했다. 
그러나 원래의 blue LED 칩 성능이 별로여서 기대만큼 큰 절대 성능을 얻지는 못했고, 좋은 성능을 갖는 blue LED 칩을 구할 수 없었다. 그래서 급을 낮추어 현재의 논문으로 게재하게 됐다. 약간은 아쉬운 부분이다. 

 

Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 반데르발스 힘만으로는 인력이 너무 약해서 나노입자를 하이브리드 할 수 없다고 모두들 생각하고 있었을 것이다. 그렇지만 나노구조를 만들어서 접촉면적을 넓히면 가능할 것이라는 착안을 했고, 이 착안을 구체화함으로써 최고의 광특성을 갖는 하이브리드 입자를 개발하게 됐다. 

 

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나. 실용화를 위한 과제는.
A. 실용화된다면 이 하이브리드 입자는 LED 조명, 디스플레이, 바이오-이미징을 통한 질병진단, 센서 제작 등에 활용될 수 있다. 최근 한 기업에서 본 하이브리드 입자에 관심을 갖고 있다. 양자점 소재를 이 기업으로부터 제공받았고, 이것을 이용해서 하이브리드 입자를 만들어 되돌려주면, 특성을 확인한 후에 사업화를 논의하기로 했다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 개발한 양자점-실리카 하이브리드 입자가 산업적으로 생산되어 여러 곳에 쓰였으면 좋겠다. 이번 성과는 학문적으로도 의의가 크고, 실용적으로도 중요한 물질이라서 사업화를 위해 총력을 기울이려 한다. 다양한 분야로 하이브리드 입자를 활용하는 연구도 계속할 것이다. 
 

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