국내 연구진이 '꿈의 신소재'로 불리는 그래핀의 가장 작은 형태인 그래핀 양자점(quantum dot) 제조 공정을 단일화한 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 기능성복합소재연구센터 문병준(제1저자)·배수강(교신저자) 박사 연구팀이 그래핀 양자점의 헤테로 원자(탄소나 수소가 아닌 원자)의 결합구조를 정밀하게 제어할 수 있는 기술을 개발하고 이와 관련한 화학 반응 메커니즘을 규명했다고 14일 밝혔다.

그래핀 양자점은 발광 효율이 높은 중금속 기반 양자점이 인체·환경에 해로울 수 있다는 우려가 나오면서 이를 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있다. 현재 디스플레이, 태양전지, 광촉매 분야에 적용하기 위한 연구가 활발하다.

그래핀 양자점의 성능을 높이려면 다양한 헤테로 원자를 추가로 도입해야 한다. 헤테로 원자를 조절하려면 양자점을 합성한 후 헤테로 원자가 포함된 첨가제를 추가하는 후처리 공정 등이 필요하다.

그러나 이 같은 방식은 합성된 그래핀 양자점의 결정성을 저하하는 단점이 있는데다가 최적화된 합성 조건을 찾아야 해 공정 시간이 늘어나, 제조 단가 상승이 불가피했다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀은 간단한 화학 반응 제어를 통해 후처리 공정 없이 바로 그래핀 양자점을 활용할 수 있게 만들었다.

또 이들은 컴퓨터 모델링을 통해 그래핀 양자점 합성 공정에 사용되는 용매가 소재의 산화 정도에 영향을 미치므로 용매의 종류에 따라 최종 산물인 그래핀 양자점의 화학 조성비가 달라진다는 점을 밝혔다.

배 박사는 "단일 공정으로 그래핀 양자점을 합성할 수 있는 새로운 형태의 플랫폼 기술"이라며 "그래핀 양자점 소재의 경제성을 크게 높일 수 있다"고 기대했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications)에 이달 7일자로 온라인 게재됐다.