▲ 3D프린팅으로 구현한 위조 방지 및 다중 정보 암호화 구조물. 일광 및 385nm UV 조명 하에서 90도 마다 문자 U, N, IS, T가 나타난다.

국내 연구진이 상온에서도 열처리 없이 3차원 형상의 퀀텀닷(QD) 구조물을 만들 수 있는 기술을 개발해 위조 방지 및 정보 암호화 시스템 등에 활용이 가능할 것으로 기대되고 있다.

UNIST(총장 이용훈)는 기계공학과 및 인공지능대학원 정임두 교수팀이 원스톱 페로브스카이트 퀀텀닷 적층 제조 기술을 개발했다고 지난 30일 밝혔다.

퀀텀닷은 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터의 반도체 결정이다. 기존 퀀텀닷 물질로 3차원 형상을 만들기 위해서는 장시간 열을 가해야 한다. 열에 취약한 퀀텀닷 물질은 특성이 저하될 수 밖에 없었다.

특히 우수한 발광 효율과 색상의 가변성을 지니고 있는 페로브스카이트 퀀텀닷을 활용해 다양한 구조물을 제작하기 위한 연구가 있었으나, 프린팅에서 사용되는 긴 시간 동안의 열처리 과정으로 특성이 저하되거나 형상이 변형되는 등 그 한계성을 보였다.

정임두 교수 연구팀은 페로브스카이트 퀀텀닷(PQD)에 하이드록시프로필 셀룰로스(hydroxypropyl cellulose, HPC) 폴리머와 휘발성 용매를 사용한 3D프린팅으로 상온에서 퀀텀닷-폴리머를 겹겹이 쌓아 만들 수 있는 기술을 개발했다.

하이드록시프로필 셀룰로스로 추가적인 열처리 없이 상온에서 잉크가 안정적으로 압출되도록 만들었다. 휘발성 용매인 다이클로로메테인(DCM)으로 용매가 잘 증발하도록 만들어 잉크가 뭉치지 않고 증착되도록 했다.

연구팀은 하이드록시프로필 셀룰로스의 양이나 노즐의 속도, 잉크를 압축하기 위해 가해지는 압력 등 3D프린팅에 영향을 주는 변수들을 최적화시켰다.

이를 바탕으로 피라미드나 에펠탑과 같은 복잡한 구조를 프린팅할 수 있었다. 빛의 삼원색을 이용해 구조물에서 각 잉크 색상에 맞는 빛이 발생하도록 만들었다.

연구팀은 3D프린팅이 주는 기하학적 형상과 특정한 파장의 빛에서 발광하는 페로브스카이트의 특성을 이용해 4중 위조 방지 및 정보 암호화 시스템 또한 구현했다.

기존에는 2차원 패턴으로 제한됐으나, 연구팀은 개발된 기술을 활용해 가로와 세로 각각 6개와 5개로 구성된 마이크로 어레이를 제작했다. 블록처럼 생긴 마이크로 어레이에 UV 빛을 쬔다. 이 각도가 변함에 따라 U, N, IS, T 각각의 글자가 차례대로 나온다. 이를 활용하면 2차원 패턴보다 개선된 암호화 시스템을 제작할 수 있는 것이다.

제 1저자 전홍령 연구원은 “퀀텀닷 3D프린팅 공정을 단순화시켜 상온에서 안정적으로 제조가 가능하도록 만들었다”며 “앞으로 향상된 정보 암호화 시스템과 다양한 광전자 인쇄 기술에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

정임두 교수는 “이번 연구를 통해 열처리 및 광경화처리 없이 페로브스카이트 양자점의 광루미네선스 특성을 유지하면서 잉크가 안정적으로 증착하도록 했다”며 “위조 방지나 정보 암호화 뿐만 아니라 퀀텀닷 기반 광전자 및 에너지 응용 분야 확장에 기여할 것”이라고 덧붙였다.

한편 이번 연구는 해당 분야 세계 상위 5% 이내의 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 3월 온라인 게재됐다.