KAIST, 포도당기반 청색 그래핀 양자점 발광소자 제작 성공…기존 디스플레이 난제 ‘청색 발광’ 안정범위서 구현

KAIST는 이 대학 박오옥 생명화학공학과 교수팀이 포도당을 기반으로 한 그래핀 양자점의 합성 기술을 개발, 이를 이용해 안정적인 청색 빛을 내는 그래핀 양자점 발광소자를 제작하는 데 성공했다고 29일 발표했다.

연구팀은 이 그래핀 양자점을 발광체로 응용해 디스플레이를 제작했고, 기존 디스플레이 분야의 난제인 청색 발광을 구현하면서 안정적인 전압 범위에서 발광하는 것을 확인했다고 밝혔다. 양자점은 물질의 크기가 나노미터(1나노=10억분의 1)로 줄어들 경우 전기·광학적 성질이 크게 변하는 반도체 나노 입자를 말한다. 이러한 특성은 나노 물질이 되면서 밴드갭이 존재하기 때문에 나타난다.
박 교수 팀은 이번 연구를 통해서 수 나노미터에서 100 나노미터 수준의 단결정 크기를 원하는 대로 조절 가능한 용액상 합성 기술을 개발했다. 연구팀의 이번 합성 기술은 단일상(single phase) 반응을 통해 균일한 핵 성장(homogeneous nucleation)반응을 최초로 유도했다는 점에서 의미를 가진다.

기존 단결정 그래핀은 구리-니켈 기반 금속 박막 위에 화학 기상 증착법(CVD)을 이용하거나 흑연을 물리·화학적 방법으로 벗겨내는 기술로 만들었다. 이 물리·화학적 방법으로 제작한 그래핀은 결함이 매우 많아 순수한 단결정의 특성을 가지지 못하는 단점을 갖는다.
박오옥 교수팀에 따르면 포도당 기반 그래핀 양자점은 기존과는 매우 다른 우수한 합성 과정을 보였다. 포도당 수용액에 아민과 초산을 일정 비율로 혼합해 반응 중간체를 형성하고 이를 안정적인 용액으로 구현해 기존 단결정 그래핀의 단점을 해소했다.

이후 형성된 중간체의 자가조립을 유도해 단결정의 그래핀 양자점을 용액상으로 합성하는 데 성공했다. 연구팀은 이 과정에서 기존의 복잡한 분리 정제법을 개선한 저온 침전 분리법을 개발했다.

박오옥 교수는 “최초로 개발된 단결정 그래핀 양자점 용액 합성법은 그래핀의 다양한 분야 접목에 크게 기여할 것이다”라며 “이를 잘 응용하면 플렉서블 디스플레이, 또는 배리스터(varistor)와 같은 반도체 성질을 갖는 그래핀의 역할이 제시될 것”이라고 말했다.


이석환 KAIST 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 5일 자 온라인판에 게재됐다.

논문명은 ‘솔루션 화학에서 단일 결정성 6각형 그래핀 퀀텀닷 합성법(Synthesis of Single-Crystalline Hexagonal Graphene Quantum Dots from Solution Chemistry)’이다.

이번 연구는 임상혁 고려대학교 화공생명공학과 교수 팀과 공동 진행됐으며, 한국과학연구재단의 나노원천 과제, 한국전자통신연구원의 나노물질 기술 연구 과제, KAIST EEWS 과제, 대한민국 정부 BK21+ 사업의 지원을 받아 수행됐다.


이재구 글로벌이코노믹 기자 jklee@g-enews.com