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양자점-실리카 결합해 발광세기 극대화 성공

한국연구재단, 반데르발스 힘에 의한 광소재 개발

양자점-실리카 결합해 발광세기 극대화 성공
소수성 양자점과 실리카입자가 하이브리드 되는 공정을 보여주는 단면도.


[산업일보]
기본 양자점에 비해 최대 690% 까지 증대된 발광세기를 나타내는 광소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 한국과학기술연구원의 우경자 박사 연구팀이 반데르발스 힘에 의해 양자점과 실리카입자를 하이브리드 함으로써, 최고의 발광세기와 안정성을 확보했다고 최근 밝혔다.

양자점(Quantum dot)은 에너지를 흡수해 빛을 내는 반도체 나노입자를 일컫는다. 유기염료에 비해 우수한 광안정성과 색 순도, 광효율을 가지므로 차세대 발광소자의 핵심기술로 기대된다.

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 힘’을 이용해 하이브리드 함으로써 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. 게코도마뱀이 발바닥의 미세섬모를 이용해서 천정에 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 10 nm 이상 균일하게 유지되고, 실리카를 코팅한 뒤에도 입자간 응집이 거의 없었다.

합성한 하이브리드 입자는 양자점에 비해 최대 690% 까지 증대된 발광세기를 나타냈고, 그 메커니즘을 굴절율 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.

덧붙여 우 박사는 “개발 공정이 간단하고 합성된 광소재의 특성이 우수해서 실용화가 유망할 것으로 기대되며, 본 연구에서 개발한 하이브리드 공정은 기타 나노입자들의 하이브리드 공정에 초석이 될 것”이라고 언급했다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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