반응물의 확산 속도 조절을 통한 콜로이드 InAs 양자점의 성장(사진. 한국연구재단)

기존 한계를 넘어 가시광선부터 적외선 영역까지 흡수하는 친환경 양자점 합성 방법이 개발됐다.

한국연구재단은 성균관대학교 정소희 교수 연구팀이 공유결합성 친환경 양자점의 성장 원리를 규명하고 단량체의 확산속도를 세밀하게 조절, 양자점의 성장을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 합성방법을 개발했다고 밝혔다.

적외선 응용분야는 군사, 의료, 광통신 분야, 자율주행 자동차용 센서 등과 같이 무궁무진하지만, 적외선 영역에서 광학적 특성을 가지기 위해 기존에는 납이나 수은 등의 중금속을 포함하는 물질이 주로 사용됐다. 

이에 입자 크기에 따라 다양한 빛을 흡수·방출하는 양자점 소재를 통해 적외선 응용분야에 적용하려는 노력들이 있었다. 하지만 인듐 아세나이드(InAs) 등과 같은 공유결합성 친환경 물질은 기존의 성장원리로는 9㎚ 이상 크기로 성장시키기에 한계가 있어 1,100~1,300㎚ 파장영역에서 응용이 한정돼 있었다.

이에 연구팀은 양자점의 성장원리를 규명하고 이를 기반으로 한 새로운 합성 방법을 제시했다. 다양한 실험변수들을 반영한 양자점 성장 시뮬레이션 결과, 용액의 부피와 반응물의 농도 등 특정 조건을 만족해야 의도치 않는 부반응을 억제하고 이상적인 양자점 성장이 일어나는 것을 발견했다. 

실제 반응용액의 농도를 시뮬레이션 결과에 맞춰 조율하자 기존보다 4배 이상 큰 양자점을 합성할 수 있었다. 또한 이렇게 만들어진 양자점은 1,700㎚ 이상의 파장을 흡수할 수 있으며 크기 분포는 9.0±1.1㎚ 것으로 균일한 입자들이 합성된 것으로 나타났다. 

이번 연구결과가 적외선 연구 분야는 물론 다양한 나노입자 합성 분야에 기여할 것으로 기대된다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)’에 2021년 5월 21일 게재됐다.
 

★연구이야기★

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개

A. 양자점은 크기에 따라 다른 영역의 빛(자외선, 가시광선, 적외선 등)을 흡수/발광할 수 있는 차세대 물질이다. 그러나 지금까지 친환경 적외선 양자점이 보고되지 못했던 이유는 양자점의 크기를 우리가 원하는 대로 조절할 수 없었기 때문이다. 따라서 본 연구는 친환경 적외선 양자점의 개발과 더불어 양자점의 크기 성장 원리 규명으로 확장됐다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?

A. 가장 큰 성과는 기존에 고려되지 않았던, 반응물의 확산 속도에 주목한 양자점의 성장 원리를 새롭게 규명했다는 점이다. 이러한 성장 원리는 대부분의 나노 입자 성장에 광범위하게 적용될 수 있다. 또한 이러한 원리 규명은 이론에서 그치지 않고 양자점의 크기 조절 영역을 기존의 4배 이상으로 확장하는 새로운 합성법을 제시함으로써 세계 최초로 단파장 적외선 영역을 흡수하는 고균일성 친환경 양자점을 보고했다. 

Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

A. 적외선 소자의 활용 분야는 무궁무진하다. 이미 군사, 의료, 통신 등 많은 분야에서 적외선이 사용되고 있으며, 최근에는 자율주행 자동차 센서 등의 최신 기술에도 응용되고 있다.

양자점 광전소자의 실용화는 우수한 광학 특성을 가진 양자점의 소재 합성과 양자점의 표면 개질 및 배열 등을 통한 전기적 특성 제어가 같이 진행돼야 비로소 달성될 수 있다. 이번 성과로 양자점의 합성 부분은 달성됐다고 볼 수 있으나, 아직 친환경 양자점의 전기적 특성 연구는 세계적으로도 매우 미비한 수준이다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

친환경 양자점을 활용한 이미지 센서나 태양전지 등 양자점 광전소자의 개발을 다음 연구목표로 삼고 있다. 또한, 다양한 나노입자 합성에 우리의 성과를 응용해서 지금까지 보고되지 않았던 새로운 나노입자 특성을 연구하고 싶다.