연구성과

이시우교수팀, 포도당이용 탄소 양자점 소재 합성 기술 개발 (2012.5.14)

2012-06-07677

포도당이 ‘탄소 양자점’ 산업화 열쇠?!

흔히 구할 수 있는 포도당이 태양전지나 양자 컴퓨터는 물론 조영제(바이오 이미징) 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대를 모으는 차세대 소재, 탄소 양자점의 산업화를 이끌 열쇠라는 연구결과가 나왔다.

화학공학과 이시우 교수·박사과정 권우성씨 팀은 계면활성제를 함유한 기름에 포도당 수용액을 넣어 만든 역마이셀(reverse micelle)*1 형태의 유화액(emulsion)을 통해 균일한 크기의 탄소 양자점 소재를 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

영국왕립화학회가 발간하는 화학분야 권위지 케미컬 커뮤니케이션(Chemical communications) 지 표지논문으로 발표된 이 연구성과는 특히 탄소 양자점 소재의 크기를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐 아니라 모양도 조절할 수 있어 소재 응용을 위한 획기적인 전기를 마련한 것으로 평가되고 있다.

양자점*2은 태양전지, 발광다이오드(LED), 양자컴퓨터, 조영제, 센서 등 다양한 분야에 활용되는 소재로, 최근 발견된 탄소 양자점 소재는 카드뮴이나 납처럼 독성이 있는 기존의 양자점 소재와 달리 독성이 적고 생산과정이 간단하고 생산비용도 저렴하다.
하지만, 탄소 양자점은 원하는 크기로 균일하게 합성하기 어렵고, 흑연(graphite)을 깨서 만드는 기존의 방법에선 크기별로 선별하는 과정이 필요해 연구와 산업화에 어려움을 겪었다.

연구팀은 계면활성제가 들어간 기름에 포도당 수용액을 넣어 균일한 크기를 갖는 역마이셀 형태의 유화액을 만들었다. 이 용액을 160℃로 가열하면 포도당 분자가 탄소화 반응을 일으켜 균일한 크기의 탄소 양자점이 합성된다.
탄소양자점의 크기를 좌우하는 역마이셀의 크기는 포도당 수용액과 계면활성제의 비율을 통해 손쉽게 조절이 가능하다.

연구를 주도한 이시우 교수는 “양자점 소재는 크기와 모양에 따라 물성이 달라지기 때문에 균일한 크기의 양자점 소재를 만드는 기술은 매우 중요하다”며, “이 기술은 복잡한 공정 없이 값싼 당분을 물에 녹여 사용해 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라고 밝혔다.
이 교수는 또, “이 기술은 응용 연구 뿐만 아니라, 탄소 양자점 소재의 특성을 규명하고 그 물성과 양자에너지 전환 메커니즘 규명은 물론 양자점 소재의 산업화에도 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

한편, 연구팀은 이번 연구를 바탕으로 탄소 양자점 소재의 물성에 관련된 기초연구와 탄소 양자점 소재를 이용한 전자소자와 에너지소자를 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.

1. 역마이셀(Reverse micelle)
농도가 낮은 수용액에서 자유롭게 존재하는 계면활성제 분자들이 농도가 높아지면 자발적으로 형성하는 회합체를 마이셀이라고 하며, 이와는 반대로 계면활성제의 친유기(親油基) 부분이 바깥을, 친수기(親水基) 부분이 내부 중앙으로 향해 형성된 회합체를 역마이셀이라고 한다.

2. 양자점(Quantum dot)
양자점은 2~10 nm 크기의 반도체 나노결정으로 크기에 따라 다른 파장의 빛을 방출하는 특성을 가지고 있다. 주로 카드뮴이나 납 등의 중금속을 이용하기 때문에 유독하고 가격이 비싼 단점이 있으나 우수한 발광 특성으로 인해 최근 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.