▲ 반응물의 확산 속도 조절을 통한 콜로이드 InAs 양자점의 성장

국내 연구진이 가시광선부터 적외선까지 흡수하는 친환경 양자점 합성 방법을 개발해 적외선과 나노 부문 연구개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 성균관대 정소희 교수연구팀이 공유결합성 친환경 양자점의 성장 원리를 규명하고 단량체의 확산속도를 세밀하게 조절, 양자점의 성장을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 합성방법을 개발했다고 3일 밝혔다.

양자점이란 반도체 나노입자의 크기가 전자-정공의 거리와 비슷하거나 작아질 때, 양자구속효과에 의하여 물리학적 성질이 변하는데 양자구속효과의 범위에 드는 반도체 입자를 말한다.

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 사용됐다.

이에 입자 크기에 따라 다양한 빛을 흡수·방출하는 양자점 소재를 통해 적외선 응용분야에 적용하려는 노력들이 있었다. 하지만 인듐 아세나이드(InAs) 등과 같은 공유결합성 친환경 물질은 기존의 성장원리로는 9nm 이상 크기로 성장시키기에 한계가 있어 1100~1300 nm 파장영역에서 응용이 한정돼 있었다.

연구팀은 양자점의 성장원리를 규명하고 이를 기반으로 한 새로운 합성 방법을 제시했다. 다양한 양자점 성장 시뮬레이션 결과, 용액의 부피와 반응물의 농도 등 특정 조건을 만족해야 의도치 않는 부반응을 억제하고 이상적인 양자점 성장이 일어나는 것을 발견했다.

실제 반응용액의 농도를 시뮬레이션 결과에 맞춰 조율하자 기존보다 4배 이상 큰 양자점을 합성할 수 있었다. 또한 이렇게 만들어진 양자점은 1700nm 이상의 파장을 흡수할 수 있으며 크기 분포는 9.0 ± 1.1 nm 것으로 균일한 입자들이 합성된 것으로 나타났다.

정소희 교수는 “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 가져 적외선 연구 외에도 태양 전지나 이미지 센서, 전염병 진단 키트에 이르기까지 다채로운 나노 입자 연구에 크게 이바지할 것으로 기대되고 있다”고 말했다.

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