우리 몸의 에너지원으로, 두뇌에 유일하게 에너지를 공급할 수 있는 ‘포도당’. 이 포도당을 이용해 형광등과 같은 백색광을 내는 조명용 형광체를 포항공과대학교 공동연구팀이 개발하는데 성공했다.

이 조명기기의 빛은 눈의 피로도도 덜할 뿐 아니라 에너지 효율도 상대적으로 높을 것으로 기대된다.

POSTECH 화학공학과 이시우 교수.박사과정 권우성씨 연구팀은 물에 잘 녹는 구연산, 포도당을 이용해 대량으로 탄소양자점 소재를 합성할 수 있는 방법을 개발하고, 신소재공학과 김종규 교수팀과의 공동연구를 통해 이 소재와 LED를 이용, 강한 백색광을 내는 조명기기를 만들어냈다.

양자점(Quantum Dot)은 화학적 공정을 통해 만드는 나노미터 크기의 반도체 결정체로, 주로 초미세 반도체, 질병진단 시약이나 디스플레이에 활용된다.
하지만 이 양자점은 주로 카드뮴이나 납과 같은 독성이 있는 중금속으로 만들어지는데다 제작공정이 까다로운 것으로 알려져 있었다.

탄소를 이용하는 탄소양자점은 독성이 없고 공정이 쉽고 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있지만, 원하는 크기로 균일하게 합성하는 과정이 까다로워
연구는 물론 상용화 연구에 활용하는데 어려움을 겪었다.

이시우 교수팀은 포도당 수용액에 기름을 섞어 유화액을 만든 다음 이를 가열하면 고른 크기의 탄소양자점으로 만들어 낼 수 있는 ‘소프트-템플레이트에멀전(Soft-template emulsion) 합성법을 고안했다. 그리고 이렇게 만들어낸 탄소양자점 소재를 이용, 김종규 교수팀과의 공동연구를 통해 다양한 형태의 발광소자에 활용할 수 있는 발광필름을 만들어냈다.

탄소양자점 소재는 자외선이나 푸른색의 빛을 가시광선으로 변환하는 역할을 하며, 이 때 기존의 형광체에 비해 넓은 파장 범위의 가시광선을 발생한다는 장점을 가지고 있다.

연구팀은 탄소양자점 발광필름을 질화갈륨(GaN)을 바탕으로 한 발광다이오드에 붙여 형광등과 동일한 색온도(약 5000 K)의 백색광을 만들어냈다. 특히 이렇게 만들어진 백색광은 초록색 빛에 해당하는 파장(500~570 nm) 성분을 많이 포함하고 있어 인간의 눈에 아주 편안한 색 좌표를 나타내고 있다.

이렇게 만들어진 필름은 마음대로 구부릴 수 있을 정도로 유연할 뿐 아니라, 중금속을 이용하지 않아 환경 친화적이고, 간단한 방법으로 대량으로 만들어 낼 수 있어 발광 소자 뿐 아니라 다양한 형태의 조명기구로도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 이시우 교수는 “에너지 자원 부족으로 효율이 놓은 조명기기 개발을 위해 경쟁적으로 개발이 이루어지는 가운데 탄소양자점을 이용한 새로운 시도로 학계에서 받아들여지고 있다”며 “탄소양자점이 발광(發光)하는 메커니즘 규명에 성공한 이 성과를 바탕으로 새로운 개념의 태양전지, 발광다이오드, 광촉매 등 광전자 소자로 개발할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 이 연구결과는 미국화학회가 발간하는 케미스트리오브머터리얼스(Chemistry of Materials) 온라인판으로 발표됐다.

동부취재본부 / 김건우 본부장.

김건우 본부장