단파장 적외선 영역의 공유결합성 친환경 퀀텀닷 소재 개발-단파장 적외선 흡수하는 친환경 양자점... 적외선 응용연구 실마리

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2021. 6. 5.

단파장 적외선 영역의 공유결합성 친환경 퀀텀닷 소재 개발-단파장 적외선 흡수하는 친환경 양자점... 적외선 응용연구 실마리

 

등록일2021.06.04.

 

 

 

단파장 적외선 영역의 공유결합성 친환경 퀀텀닷 소재 개발 

단파장 적외선 흡수하는 친환경 양자점... 적외선 응용연구 실마리

 

 

□ 기존 한계를 넘어 가시광선부터 적외선 영역까지 흡수하는 친환경 양자점 합성 방법이 개발됐다.

ㅇ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 정소희 교수(성균관대학교) 연구팀이 공유결합성 친환경 양자점의 성장 원리를 규명하고 단량체의 확산속도를 세밀하게 조절, 양자점의 성장을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 합성방법을 개발했다고 밝혔다.

    ※ 양자점 : 반도체 나노입자의 크기가 전자-정공의 거리와 비슷하거나 작아질 때, 양자구속효과에 의하여 물리학적 성질이 변하는데 양자구속효과의 범위에 드는 반도체 입자

    ※ 양자구속효과 : 반도체의 에너지갭(band gap)이 나노입자의 크기에 따라 변하며, 에너지 레벨이 양자화되어 전자 및 정공의 거동이 bulk와는 다른 특성을 갖게 된다.

    ※ 공유결합성 양자점 :  양자점의 격자를 구성하는 결합의 특성이 공유결합에 의해 이뤄지는 양자점

 

□ 적외선 응용분야는 군사, 의료, 광통신 분야, 자율주행 자동차용 센서 등과 같이 무궁무진하지만, 적외선 영역에서 광학적 특성을 가지기 위해 기존에는 납이나 수은 등의 중금속을 포함하는 물질이 주로 사용되었다. 

ㅇ 이에 입자 크기에 따라 다양한 빛을 흡수·방출하는 양자점 소재를 통해 적외선 응용분야에 적용하려는 노력들이 있었다. 

ㅇ 하지만 인듐 아세나이드(InAs) 등과 같은 공유결합성 친환경 물질은 기존의 성장원리로는 9nm 이상 크기로 성장시키기에 한계가 있어 1100~1300 nm 파장영역에서 응용이 한정되어 있었다.

    

□ 이에 연구팀은 양자점의 성장원리를 규명하고 이를 기반으로 한 새로운 합성 방법을 제시하였다. 

ㅇ 다양한 실험변수들을 반영한 양자점 성장 시뮬레이션 결과, 용액의 부피와 반응물의 농도 등 특정 조건을 만족해야 의도치 않는 부반응을 억제하고 이상적인 양자점 성장이 일어나는 것을 발견하였다. 

 

□ 실제 반응용액의 농도를 시뮬레이션 결과에 맞춰 조율하자 기존보다 4배 이상 큰 양자점을 합성할 수 있었다. 

ㅇ 또한 이렇게 만들어진 양자점은 1700nm 이상의 파장을 흡수할 수 있으며 크기 분포는 9.0 ± 1.1 nm 것으로 균일한 입자들이 합성된 것으로 나타났다. 

 

□ 이번 연구결과가 적외선 연구 분야는 물론 다양한 나노입자 합성 분야에 기여할 것으로 기대된다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communications)’에 2021년 5월 21일 게재되었다.

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 성균관대학교 정소희 교수>

 

논문명

Diffusion dynamics controlled colloidal synthesis of highly monodisperse InAs nanocrystals

저널명 

Nature Communications

키워드 

InAs nanocrystals(InAs 나노결정), growth model for continuous process(연속 공정의 성장 모델), monomer diffusion dynamic(단량체 확산 역학), monodispersity(균일성), large size particle(대형 입자)

DOI

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23259-w

저  자

정소희 교수(교신저자/성균관대학교), 김태완 박사(제1저자/성균관대학교), 박성민 통합과정 (제1공동저자/성균관대학교)

 

1. 연구의 필요성

○ 적외선 연구는 천문학, 기상학, 분석학 등의 학문적 분야에서부터 실생활이나 군사, 의료, 통신 분야에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있다. 그러나 적외선을 흡수하거나 발생시킬 수 있는 작은 밴드갭을 가지는 물질은 납이나 수은을 포함하고 있어 그 활용에 제약이 있다. 

○ 이를 해결하기 위해 최근 크기에 따라 광특성을 조절할 수 있어 QLED 등에서 핵심 소재로 사용되는 퀀텀닷 (콜로이드 양자점)으로 근적외선 및 단파장 적외선을 활용하는 차세대 친환경 소재 부품을 개발하려는 연구가 주목받고 있다. 

○ 특히 본 연구진이 주목한 물질인 InAs의 밴드갭은 대략 0.43 eV로, 태양전지 등에 응용되는 가시광선부터 광통신 및 센서에 응용되는 단파장 적외선에 이르는 넓은 영역대의 광특성을 나타낼 수 있다. 

○ 그러나 지금까지는 콜로이드 양자점의 성장 메커니즘 이해의 부족으로 양자점의 크기 성장 및 파장대 영역에 조절에 제한이 있었다. 따라서 본 연구팀은 양자점의 성장 메커니즘과 한계를 규명하고, 이를 새로운 합성 공법을 통해 극복하고자 하였다.

 

2. 연구내용 

○ 연구팀은 양자점의 성장을 정량적으로 관찰하고 단량체의 확산 속도를 모델링함으로써 콜로이드 양자점의 성장 한계를 규명하고 이를 해결하는 새로운 합성 방법을 제시하였다. 

○ 수학적 모델링과 실험을 통한 교차 검증은 기존의 양자점의 성장 한계가 단량체의 농도 및 확산 거리에서 결정된다는 새로운 성장 메커니즘을 분명하게 밝혔다. 

○ 양자점의 성장 모델링과 실험적 검증을 바탕으로 하여, 연구팀은 양자점 성장에서의 직접적인 단량체 확산 속도 조절을 통하여 현재까지 보고된 양자점의 성장 한계를 극복하였다. 

○ 화학양론 분석으로 양자점의 반응 환경과 유사한 완충 용액을 제조하고 합성된 양자점을 용액에 분산시킴으로써 양자점의 성장 속도를 증가시킬 수 있었으며, 이 방법을 통하여 기존에 알려진 InAs 양자점의 크기를 4배 이상 증가시켜 1700 nm의 파장을 흡수하는 균일한 양자점을 합성할 수 있었다. 

  * 콜로이드 : 완전히 녹지 않고 균일하게 용매에 퍼져있는 나노~마이크로 사이즈의 입자

  * 단량체 : 다른 단량체와 반응하여 화합물을 형성할 수 있는 분자

 

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 연속 공정을 통한 공유결합성 InAs 양자점의 성장원리를 밝히고 나아가 원하는 크기로 성장시킬 수 있는 새로운 공법을 제시함으로써 저명한 국제 학술지인 Nature Communications에 발표되었다. 

○ 본 연구를 통해 개발된 세계 최고 수준의 양자점 소재는 군사용 레이저 개발이나 광통신 분야, 자율주행 자동차용 센서 성능 향상 등 다채로운 적외선 연구개발에 큰 파급효과를 나타낼 것으로 기대된다. 

 ○ 또한 본 연구에서 제시된 양자점의 성장 메커니즘 및 모델링은 나노 입자의 종류나 특정 반응에 국한되지 않는 범용적인 성과이기 때문에, InAs를 넘어서 대부분의 나노 입자 공학에 응용되는 큰 학술 가치를 가진다. 

○ 따라서 본 연구는 적외선 연구 외에도 태양 전지나 이미지 센서, 전염병 진단 키트에 이르기까지 다채로운 나노 입자 연구에 크게 이바지할 것으로 기대되고 있다.

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림) 반응물의 확산 속도 조절을 통한 콜로이드 InAs 양자점의 성장

본 연구에서는 실험 결과와 수학적 성장 모델링의 교차 검증을 통해 양자점 크기 조절의 한계는 단량체의 농도 및 확산 거리에서 결정된다는 새로운 성장 메커니즘을 규명하였다. 이를 바탕으로 InAs 양자점 단량체의 확산 속도를 조절하기 위해 Diffusion-dynamics-control 방법을 도입하였고 약 1600 nm의 파장을 흡수하는 균일한 양자점을 합성하였다. 

(좌측 상단, Diffusion-dynamics-control에 의한 농도 구배 조절을 설명)

(우측 하단, Diffusion-dynamics-control의 도입으로 주입된 전구체 부피에 따른 InAs 양자점의 부피 증가 및 해당 부피에서의 1st excitonic peak을 표현)

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 박성민 석박통합과정

 

연구 이야기

 

                                         <작성 : 성균관대학교 김태완 박사>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 

양자점을 활용한 적외선 소자의 개발은 많은 연구자들이 주목하고 있는 연구 분야였으나, 대부분의 적외선 양자점 소재가 납이나 수은 등의 물질의 사용에서 벗어나지 못하고 있었다. 이를 해결하고자 납과 수은이 아닌 인듐 계열의 친환경 물질로 적외선 양자점 연구를 시작하였다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

양자점은 크기에 따라 다른 영역의 빛(자외선, 가시광선, 적외선 등)을 흡수/발광할 수 있는 차세대 물질이다. 그러나 지금까지 친환경 적외선 양자점이 보고되지 못했던 이유는 양자점의 크기를 우리가 원하는 대로 조절할 수 없었기 때문이다. 따라서 본 연구는 친환경 적외선 양자점의 개발과 더불어 양자점의 크기 성장 원리 규명으로 확장되었다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

양자점의 흡수 스펙트럼 범위를 확장시키기 위해서는 양자점의 크기를 자유롭게 조절함에 따라 달성할 수 있다. 그러나 기존의 성장 원리로는 크기를 조절하는데 어려움을 보였다. 그러므로 해당 양자점의 성장 원리를 새롭게 규명하기 위해서는 다양한 실험 변수들의 통제를 기반으로 다방면에서의 접근이 요구되었다. 그 결과, 수많은 시행착오의 실험 결과들과 성자 모델을 통해 반응물 확산 속도에 따른 양자점 성장 원리를 규명하였고 최적의 실험 조건을 설계하여 기존의 양자점의 크기 조절 한계를 극복할 수 있었다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

가장 큰 성과는 기존에 고려되지 않았던, 반응물의 확산 속도에 주목한 양자점의 성장 원리를 새롭게 규명하였다는 점이다. 이러한 성장 원리는 대부분의 나노 입자 성장에 광범위하게 적용될 수 있다. 또한 이러한 원리 규명은 이론에서 그치지 않고 양자점의 크기 조절 영역을 기존의 4배 이상으로 확장하는 새로운 합성법을 제시함으로써 세계 최초로 단파장 적외선 영역을 흡수하는 고균일성 친환경 양자점을 보고하였다. 

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

적외선 소자의 활용 분야는 무궁무진하다. 이미 군사, 의료, 통신 등 많은 분야에서 적외선이 사용되고 있으며, 최근에는 자율주행 자동차 센서 등의 최신 기술에도 응용되고 있다.

양자점 광전소자의 실용화는 우수한 광학 특성을 가진 양자점의 소재 합성과 양자점의 표면 개질 및 배열 등을 통한 전기적 특성 제어가 같이 진행되어야 비로소 달성될 수 있다. 이번 성과로 양자점의 합성 부분은 달성되었다고 볼 수 있으나, 아직 친환경 양자점의 전기적 특성 연구는 세계적으로도 매우 미비한 수준이다. 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

친환경 양자점을 활용한 이미지 센서나 태양전지 등 양자점 광전소자의 개발을 다음 연구목표로 삼고 있다. 또한, 다양한 나노입자 합성에 우리의 성과를 응용해서 지금까지 보고되지 않았던 새로운 나노입자 특성을 연구하고 싶다.