숙명여대·KETI·카이스트, 신속 합성 가능한 탄소 양자점 개발

고온·고압 공정 없이 적색·근적외선 이중 발광 구현

에너지 절감 및 대량 생산 가능성 열어…디스플레이·바이오 상용화 기대

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 숙명여자대학교는 화공생명공학부 권우성 교수 연구팀이 고온·고압의 복잡한 공정 없이 간단한 혼합만으로 세계 최고 수준의 발광 효율을 내는 탄소 나노 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

숙명여대·한국전자기술연구원(KETI)·한국과학기술원(KAIST) 공동 연구팀은 1,3-다이하이드록시나프탈렌(1,3-DHN)을 전구체로 사용해 상온(약 25℃)에서 적색과 근적외선 이중 발광 탄소 양자점(Carbon Dot)을 신속하게 합성하는 기술을 개발했다.

기존의 탄소 양자점은 합성을 위해 높은 온도와 압력이 필요하거나 복잡한 전구체를 사용해야 하는 등 공정상의 어려움이 있었고, 반응 시간이 길어 생산 효율에도 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 산화제와 전구체를 이소프로판올 용매에서 혼합하는 '산화 방향족 커플링(Oxidative Aromatic Coupling)' 반응을 이용했다. 해당 방식은 별도의 외부 가열 없이 상온에서 교반만으로 반응이 진행되며, 반응 시작 1시간 만에 최적의 광학적 특성을 가진 입자를 합성해낼 수 있다.

이번에 개발된 탄소 양자점은 610㎚ 파장의 적색 빛과 750㎚ 파장의 근적외선 빛을 동시에 방출하는 이중 발광 특성을 보인다. 특히 적색 발광의 절대양자효율(PLQY)은 86%로, 현재까지 보고된 장파장 발광 탄소 양자점 중 가장 높은 수준에 해당한다.

또한 연구팀은 이번 연구에서 탄소 양자점의 근적외선 발광 원리도 규명했다. 이러한 성과는 기존 탄소 소재의 한계를 극복하고, 디스플레이와 바이오 센서 분야에서의 상용화를 앞당길 획기적인 기술로 평가된다.

권 교수는 "이번 연구는 고효율 적색·근적외선 탄소 소재를 쉽고 빠르게 만드는 방법을 제시하고 발광 원리까지 명확히 규명함으로써 차세대 광전 소자 개발을 위한 가이드라인을 제시했다"고 강조했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 사업 및 삼성디스플레이 '차세대 탄소 양자점 발광체 개발 연구'의 지원으로 수행됐으며, 숙명여대 화공생명공학부 서세정 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 성과는 국제 학술지 '화학공학저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

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