이시우 교수팀, ‘표면 개질’ 양자점으로 유기발광 소자 시연

연구성과

이시우 교수팀, ‘표면 개질’ 양자점으로 유기발광 소자 시연

2015-09-22 974

스스로 빛나는 탄소 ‘탄소 양자점’의 색 순도 확 높였다

양자점(Quantum Dot)은 화학적 공정을 통해 만드는 나노미터 크기의 반도체 결정체로, 주로 초미세 반도체, 질병진단 시약이나 디스플레이에 활용된다. 이 중 탄화수소화합물로 만드는 ‘탄소 양자점(carbon nanodot)’은 중금속으로 만드는 기존 양자점보다 독성이 적고 공정이 간단하며 비용이 저렴해, 광발광(photoluminescence) 현상을 이용한 바이오 이미징과 발광 소자 관련 응용 연구가 학계의 큰 주목을 받고 있다.

그러나 탄소 양자점은 원하는 크기로 균일하게 합성하는 과정이 까다롭고, 발생하는 빛의 폭이 넓어 색이 밝고 선명한 정도인 ‘색 순도’가 크게 떨어지기 때문에 본격적인 활용에 어려움을 겪어 왔다.

화학공학과 이시우 교수․권우성 박사․도성안 박사과정, 성균관대학교 정문석 교수․김지희 박사 공동 연구팀은 탄소 양자점의 표면을 개질^*1하여 색 순도를 기존 유기발광체와 대등한 수준으로 끌어 올리는데 성공하고, 관련 연구 성과를 네이처 자매지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports)를 통해 발표했다.

이시우 교수팀은 신맛을 내는 과일에 주로 함유되어 있는 시트르산(citric acid)을 이용하여 탄소 양자점을 합성한 뒤, 아닐린(aniline)^*2을 이용하여 표면 개질을 하는 방법으로 색 순도를 대폭 개선했다.

이 과정에서 성균관대학교 정문석 교수팀과 공동 연구를 통해 표면 개질이 탄소 양자점의 전자 구조에 미치는 영향을 레이저 분광(laser spectroscopy)^*3 실험을 통해 규명해 냈다.

그 결과, 기존의 탄소 양자점에서 나오는 광폭이 약 100nm(나노미터) 정도인 것에 반해, 표면 개질된 탄소 양자점의 광폭은 이보다 10배 가까이 줄어든 10nm에 불과했다. 이는 표면 개질된 탄소 양자점이 기존 유기발광체(organic fluorophore)와 대등하거나, 또는 더 우수한 색 순도를 유지한다는 것을 의미한다.

또한, 연구팀은 표면 개질된 탄소 양자점을 이용하여 초록색, 노란색, 주황색, 빨강색을 나타내는 필름 형태의 유기발광소자를 시연했다. 이렇게 만들어진 유기발광소자는 중금속을 이용하지 않아 환경 친화적일 뿐만 아니라, 제작 단가가 낮고 열에 매우 안정적이어서 다양한 형태의 조명 기구를 비롯해 태양전지, 센서, 영상 조영제 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이시우 교수는 “표면 개질된 탄소 양자점은 미래 다양한 형태의 발광 소자 제작의 밑거름이 될 것”이라며 “특히, 에너지 효율이 높은 조명기기의 산업화 과정에서 기존 발광체 기술에 응용할 수 있다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.

1. 표면 개질(表面改質, surface modification)

재료 본연의 특성만으로 원하는 성능과 기능을 발휘할 수 없는 때 기재 표면에 열에너지, 응력 등을 부가하여 새로운 표면층을 형성하는 방법이다.

2. 아닐린(aniline)

아미노벤젠·페닐아민이라고도 한다. 벤젠과 함께 유기화학 및 화학공업 분야에서 가장 중요시되는 화합물이다.

3. 레이저 분광

레이저 광의 특색인 단색성, 강도 특성, 파장 동조 특성 등의 여러 성질을 유효하게 이용하는 원자 및 분자의 분광법(分光法, 빛의 스펙트럼을 이용한 물질의 정성․정량 분석)