수성 양자점과 실리카입자가 하이브리드 되는 공정을 보여주는 단면도.

국내 연구진이 표면을 울퉁불퉁하게 만든 실리카 입자에 양자점을 퍼즐처럼 끼워 맞추어 반도체 나노입자의 발광세기와 안정성을 극대화한 광소재를 개발했다.

한국연구재단은 우경자 한국과학기술연구원 박사 연구팀이 반데르발스 힘에 의해 양자점과 실리카입자를 하이브리드 함으로써, 최고의 발광세기와 안정성을 확보했다고 3일 밝혔다.

양자점(Quantum dot)은 에너지를 흡수해 빛을 내는 반도체 나노입자다. 유기염료에 비해 우수한 광안정성과 색 순도, 광효율이란 특성으로 차세대 발광소자의 핵심기술로 꼽힌다. 하지만 양자점은 서로 뭉쳐져서 그 특성을 잃어버리는 문제가 있었다.

양자점 표면을 바꾸어 양자점의 응집특성을 최소화하려 했지만 공정이 복잡하고 광손실이 컸다. 이에 새로운 수단으로 양자점보다 10배 이상 큰 친환경 실리카입자 표면에 균일하게 배열하고, 실리카 코팅으로 고정시켜서 응집되지 않도록 하는 기술이 주목을 받고 있다.

이에 연구팀은 원래의 입자 사이에 작용하는 약한 힘인 ‘반데르발스 힘’을 이용해 하이브리드 함으로써 공정의 간편함과 이론상 최고의 발광세기와 안정성을 갖는 광소재를 개발했다.

반데르발스 힘은 아주 약해서 공정에 사용하기 힘들었지만 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 10나노미터(nm) 이상 균일하게 유지되고, 실리카를 코팅한 뒤에도 입자간 응집이 거의 없었다.

또한 기존 양자점에 비해 최대 690%까지 증대된 발광세기를 나타냈고, 그 메커니즘을 굴절율 변화로 설명했다. 6W의 자외선 환경에서 양자점은 2일 후 완전히 응집돼 침전됐지만 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.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업 및 한국과학기술연구원 미래원천연구사업의 지원으로 수행됐다. 국제학술지 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters) 4월19일자 논문으로 게재되었다.