[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 성균관대학교 에너지과학과 정소희 교수팀이 공유결합성 친환경 양자점의 성장 원리를 규명하고 단량체의 확산속도를 세밀하게 조절해 양자점의 성장을 자유롭게 제어할 수 있는 새로운 합성방법을 개발했다고 8일 밝혔다.

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 사용된다.

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

양자점(quantum dot, QD)은 반도체 나노입자의 크기가 전자-정공의 거리와 비슷하거나 작아질 때, 양자구속효과에 의하여 물리학적 성질이 변하는데 양자구속효과의 범위에 드는 반도체 입자이다.

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

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

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 양자점의 성장원리를 규명하고 이를 기반으로 한 새로운 합성 방법을 제시했다.

연구과정을 보면 다양한 실험변수들을 반영한 양자점 성장 시뮬레이션을 했고 이 결과로 용액의 부피와 반응물의 농도 등 특정 조건을 만족해야 의도치 않는 부반응을 억제하고 이상적인 양자점 성장이 일어나는 것을 발견했다.

이어 실제 반응용액의 농도를 시뮬레이션 결과에 맞춰 조율해 기존보다 4배 이상 큰 양자점을 합성했다.

또 이렇게 만들어진 양자점은 1700nm 이상의 파장을 흡수할 수 있으며 9.0 ± 1.1 nm의 크기로 균일한 입자들이 합성됐다.

연구 관계자는 “이 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”고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리 사업 및 중견연구사업의 지원으로 수행됐고 국제학술지 네이처 커뮤니케이션(Nature communications)에 5월 21일 게재됐다.