포도당 기반 단결정 그래핀 양자점 용액 합성법 개발

단일상 반응으로 균일 핵성장 최초 유도

KAIST 생명화학공학과 박오옥 교수 연구팀이 포도당을 기반으로 한 그래핀 양자점의 합성 기술을 개발해, 이를 이용해 안정적인 청색 빛을 내는 그래핀 양자점 발광소자를 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 위 그래핀 양자점을 발광체로 응용해 디스플레이를 제작했고, 현 디스플레이 분야의 난제인 청색 발광을 구현하면서 안정적인 전압 범위에서 발광하는 것을 확인했다.

이석환 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 5일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Synthesis of Single-Crystalline Hexagonal Graphene Quantum Dots from Solution Chemistry)

그래핀은 우수한 열, 전기 전도도와 투명도를 가져 차세대 전자재료로 주목받고 있지만, 단층 및 다층 그래핀은 도체의 특성을 가져 반도체로 적용하기 어려운 단점이 있다. 그러나 그래핀을 작은 나노 크기로 줄이게 되면 반도체의 특성인 밴드갭을 가져 발광특성을 보이게 돼 활용할 수 있게 된다. 이를 그래핀 양자점이라 한다.

기존 단결정 그래핀(single crystalline)은 구리-니켈 기반 금속 박막 위에 화학 기상 증착법(CVD)을 이용하거나 흑연을 물리·화학적 방법으로 벗겨내는 기술로 만들었다. 물리·화학적 방법으로 제작한 그래핀은 결함이 매우 많아 순수한 단결정의 특성을 가지지 못하는 단점이 있었다.

단층 및 다층 그래핀은 도체의 특성을 가져 반도체로 적용하기 어려운 단점이 있어왔다. 나노사이즈 그래핀은 반도체의 특성인 밴드갭을 가져 발광특성을 갖게 되며, 이를 그래핀 양자점이라 부른다.

기존의 용액 공정은 이종상(heterogeneous phase) 반응으로 나노 에멀젼 내의 포도당이 탄화(carbonization)돼 단결정 형태의 그래핀이 아닌 결함이 많은 카본 닷(carbon dots) 또는 그래핀 양자점(graphene quantum dots)을 만들었다.

연구팀의 합성 기술은 단일상(single phase) 반응으로 균일 핵성장 (homogeneous nucleation) 반응을 최초로 유도, 동일한 레고블럭이 쌓여서 큰 레고블럭이 되듯이 결함이 없는 단결정 형태의 그래핀 양자점을 합성했다.

연구팀이 개발한 그래핀 양자점은 기존과는 매우 다른 우수한 합성 과정을 보였다. 포도당 수용액에 아민과 초산을 일정 비율로 혼합해 반응 중간체를 형성하고 이를 안정적인 용액으로 구현했다.

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

박 교수 연구팀은 이번 연구를 통해서 수 나노미터에서 100 나노미터 수준의 단결정 크기를 원하는 대로 조절 가능한 용액상 합성 기술을 개발했다.

박오옥 교수는 “최초로 개발된 단결정 그래핀 양자점 용액 합성법은 그래핀의 다양한 분야 접목에 크게 기여할 것이다”라며 “이를 잘 응용하면 유연 디스플레이 또는 베리스터와 같은 반도체 성질을 갖는 그래핀의 역할이 제시될 것이다”라고 말했다.

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

*용어 설명

그래핀

– 탄소 원자들이 육각형의 구조로 벌집 형태로 배열이 된 소재, 흑연 (Graphite)을 소재로 하여 그래핀 (Graphene) 이라 불린다. 현존하는 소재중 특성이 가장 뛰어난 소재로써, 투명성이 높고 상온에서 구리보다 100배 많은 전류를, 실리콘보다 100배 빨리 전달할 수 있다. 뿐만 아니라 열 전도성이 최고라는 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 기계적 강도도 강철보다 200배 강하지만 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다.

양자점

– 물질의 크기가 나노미터로 줄어들 경우 전기적 · 광학적 성질이 크게 변하는 반도체 나노 입자를 말한다. 이러한 특성은 나노 물질이 되면서 밴드갭이 존재하기 때문에 나타난다.