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People

'씨앗' 키워 정제까지

  • 조회. 918
  • 등록일. 2020.06.01
  • 작성자. 홍보팀
에너종지수공학전공 교수, 테일러 데릭 알란 에너지공학전공 석박사통합과정 연구원

 

  빨강, 주황, 노랑, 초록, 파랑…. 선반 위 시약병에 담긴 알록달록한 액체가 시선을 끌었다. 이제 막 제작된 신선한(?) 퀀텀닷 입자가 내는 빛이었다. 퀀텀닷은 TV와 모니터 등 디스플레이뿐만 아니라 태양전지와 같은 에너지 소자 에도 활용되는 '핫'한 신소재다. 3월 30일 퀀텀닷 연구가 한창인 대구경북과학기술원(DGIST) 다기능성나노물질 및 나노소자연구실(MNEDL)을 찾았다.

 

퀀텀닷, 실생활에 적용되려면?
"제품이 나오면 사람들은 기술 개발이 끝났다고 생각합니다. 하지만 퀀텀닷 연구는 이제 시작 단계예요."
  연구실을 이끄는 이종수 DGIST 에너지공학전공 교수는 퀀텀닷을 실생활 에 활용하려면 극복할 문제가 여럿 남았다며 이같이 말했다.
  발광다이오드(LED) 같은 발광소자는 내부 전자의 에너지값 차이를 이용 해 빛을 낸다. 전자가 외부에서 전기나 빛에너지를 흡수해 바깥쪽 전자껍질 로 이동했다가 다시 안쪽 전자껍질로 떨어질 때 에너지값 차이만큼 에너지가 방출되고 이는 빛에너지로 전환된다. 이때 빛의 색깔은 방출 되는 에너지값에 따라 결정된다. 전자의 에너지 준위(가질 수 있는 에너지값 전체를 총칭하는 말)는 물질마다 정해져 있기 때문에 같은 물질로 만든 발광소자는 같은 빛을 낸다.
  퀀텀닷이 빛을 내는 원리도 이와 유사하다. 다만, 퀀텀닷은 지름이 2~10nm(나노미터‧1nm는 10억분의 1m)로 매우 작 은 반도체 나노입자다. 발광물질의 크기가 nm 단위로 작아지 면 물질의 성질이 변하고, 물질의 고유한 특성인 에너지 준위도 달라진다. 같은 소재로 만든 퀀텀닷이라도 크기에 따라 다 른 색을 낼 수 있다는 뜻이다. 이를 '양자구속효과'라고 한다. 퀀텀닷이 디스플레이 소재로 각광받는 이유다.
  게다가 퀀텀닷 입자가 내는 빛은 색 순도가 매우 높다. 일반적인 발광물질은 수천, 수만 개의 원자가 뭉쳐 있기 때문에 원 자들이 가질 수 있는 에너지 준위의 범위가 넓고, 이로 인해 미묘하게 다른 파장의 빛이 섞일 수 있다.   
하지만 퀀텀닷은 크기가 작고 물질을 이루는 원자의 개수 가 수십~수백 개로 적기 때문에 에너지 준위 오차가 적다. 덕 분에 의도한 파장에 가까운 빛을 집중적으로 방출할 수 있다. 삼원색(RGB)의 원색에 가까운 빛을 발할 수 있는 셈이다. 이 를 전문 용어로는 '반치폭(FWHM)'이 작다고 설명한다.
  여러모로 장점이 많은 퀀텀닷이지만, 실생활에 적용하려면 안전성이 담보돼야 한다. 1982년 최초로 발견된 퀀텀닷의 핵 심물질은 카드뮴이었다. 하지만 중금속인 카드뮴의 인체 유해 성이 제기되면서 지금은 카드뮴과 비슷한 성질을 가진 13족 원소가 핵심물질로 쓰이는 추세다.          
  이 교수팀이 활용하고 있는 인화인듐(InP)이 대표적이다. 인화인듐은 13족의 인듐에 15족의 인을 합성한 물질로, 독성은 적지만 카드뮴을 사용하는 퀀텀닷에 비해 결합력이 약해 합 성하기가 어렵고 발광효율도 낮다.
이 교수는 "현재 인화인듐의 발광효율은 카드뮴의 70~80%에 불과하다"며 "퀀텀닷을 감싸는 리간드를 유기물에서 무기물로 치환하는 등 다양한 공법을 활용해 인화인듐 퀀텀 닷의 효율을 높이고 있다"고 말했다.

 

퀀텀닷 효율 높일 특별한 '레시피'
  퀀텀닷을 연구하는 연구실에는 저마다 효율이 높은 퀀텀닷을 합성할 수 있는 '레시피'가 있다. 가령 퀀텀닷의 색 순도를 높이려면 입자들의 에너지 준위 오차를 2% 이내로 줄여야 하는데, 재료 조성과 합성 조건을 어떻게 설정하느냐에 따라 성패 가 갈린다. 이 변수들을 통제하는 기술이 곧 그 연구실만의 노 하우가 된다.

 

인화인듐 소재로 퀀텀닷을 합성해 퀀텀닷의 발광효율을 높이는 연구를 하고 있다�               전자제품 등에 활용할 수 있는 인체에 무해한 퀀텀닷을 개발하는 데 기여하고 싶다

 

  이 교수팀은 인화인듐을 1.9nm 크기의 '씨앗' 형태로 만든 뒤 이를 키우는 방식으로 일정한 크기의 퀀텀닷 입자를 구현하 는 방법을 개발했다. 연구팀은 490~650nm 파장을 흡수해 붉은 색을 구현하는 퀀텀닷을 제작하면서 씨앗 입자를 키웠고, 이를 한 번 더 분리해서 정제했다.
  또 퀀텀닷 핵심물질을 다른 물질로 감싸 양자구속효과를 극대화하고, 올레산염(oleate) 리간드를 붙여 퀀텀닷의 안정성(수명)을 높였다. 결과적으로 반치폭이 35~40nm로 작은 순도 높은 색을 표현하는 퀀텀닷을 구현하는 데 성공했다. 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 '재료 화학' 2018년 5월 25일자에 실렸다. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b02049 
  연구팀은 앞으로 퀀텀닷의 반치폭을 32nm 이하로 줄이는 등 고순도 퀀텀닷 개발을 목표로 삼고 있다. 이 교수는 "현재 실험실에서는 인화인듐 퀀텀닷의 효율을 카드뮴 퀀텀닷과 유 사한 정도까지 끌어올렸다"며 "퀀텀닷을 이용하면 순도 높은 색을 표현하면서도 유기발광다이오드(OLED)보다 더 유연하 게 구부러지는 플렉시블 디스플레이를 만들 수 있을 것"이라 고 말했다

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반치폭(FWHM)
어떤 함수의 폭을 나타내는 용어로, 본문에서는 발광물질이 내는 빛을 파장대에 따라 그린 그래프의 폭을 의미한다. 폭이 좁을수록 특정 파장의 빛이 집중적으로 발생해 색 순도가 높다. 퀀텀닷의 반치폭은 일반적인 발광물질의 절반 수준이다.
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글 이영애 기자
사진 이규철
과학동아 6월호

 

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