'양자점 발광세기' 극대화한 광소재 개발

우경자 KIST 박사 "반데르발스 힘에 의한 양자점-실리카 결합기술 이용"
소수성 양자점과 실리카입자가 하이브리드 되는 공정을 보여주는 단면도.<사진=한국연구재단 제공>소수성 양자점과 실리카입자가 하이브리드 되는 공정을 보여주는 단면도.<사진=한국연구재단 제공>

국내 연구팀이 반도체 나노입자의 발광세기와 안정성을 극대화한 광소재를 개발했다.

한국연구재단은 우경자 KIST 박사 연구팀이 반데르발스 힘에 의해 양자점과 실리카 입자를 하이브리드 함으로써 최고의 발광세기와 안정성을 확보했다고 3일 밝혔다.

양자점은 에너지를 흡수해 빛을 내는 반도체 나노입자를 일컫는다. 유기염료에 비해 우수한 광안정성과 색 순도, 광 효율을 가지므로 차세대 발광소자의 핵심기술이다.

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

연구팀은 원래의 입자 사이에 작용하는 약한 힘인 '반데르발스 힘'을 이용해 하이브리드 함으로써 공정의 간편함은 물론 이론상 최고의 발광세기와 안정성을 갖는 광소재를 개발했다.

반데르발스 힘은 너무 약해 하이브리드 입자를 만들 수 없는 것으로 인식됐다. 그러나 연구팀은 양자점과 실리카 표면의 접촉면적을 넓혀서 반데르발스 힘을 극대화했다. 

게코도마뱀이 발바닥의 미세섬모를 이용해 천정에 거꾸로 매달리는 것에 착안한 것이다.

실리카 입자 표면을 울퉁불퉁한 소수성 나노구조로 만드니 오목한 부분에 반데르발스 힘에 의해 소수성 양자점들이 끼워졌고 이것을 코팅했다. 이로 인해 양자점 간 간격이 10nm(나노미터) 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 응집돼 침전되는데 반해, 하이브리드 입자는 5일 이상 초기의 광 특성을 유지했다.

우경자 박사는 "이번 연구는 최고의 광 특성을 발현하도록 양자점과 실리카 입자를 물리적 상호작용만으로 하이브리드하는 기술을 개발한 것"이라며 "개발된 광소재는 LED, 디스플레이, 바이오-이미징, 센서 등에 적용될 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 '저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters)'에 지난달 19일 자 논문으로 게재됐다. 
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