한국과학기술원(KAIST·총장 신성철)은 김도현 생명화학공학과 교수팀이 차세대 발광 물질인 이중 발광 '카본닷'의 발광 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다.
카본닷은 탄소 기반 발광 물질이다. 풍부한 원료와 낮은 독성, 환경친화적인 장점 때문에 기존 상용화 된 유기 발광체, 양자점(퀀텀닷)을 대체할 수 있는 물질로 부상하고 있다.
연구팀은 청색 및 적색을 이중 발광하는 카본닷을 합성한 후, 농도에 따른 발광 특성 변화를 관찰해 상호작용 현상을 분석했다. 이는 이중 발광 카본닷의 복잡한 발광 특성 해석에 새로운 근거를 제시한 것이다.
카본닷은 다양한 발광 준위 에너지를 동시에 가져 다색발광이 가능하다. 농도 변화에 따라 발광 특성이 바뀐다.
다색발광은 백색광 및 광학 센서 분야에서 하나의 형광체만으로도 장치 구현이 가능하다. 또 레퍼런스 신호를 제공해 센서의 정확도를 높일 수 있다. 다만 매우 드물게 만들어진다는 게 약점이다. 또 카본닷 다색발광과 농도 변화에 따른 다양한 발광 메커니즘을 규명한 연구가 거의 이뤄지지 않고 있다.
연구팀은 청색·적색 이중 발광 카본닷을 합성해 카본닷의 입자 간 거리가 카본닷 발광 특성 변화에 중요한 역할을 한다는 점을 밝히는 연구를 진행했다.
관찰 결과 임계 농도에서 적색 발광에 가장 적합한 입자 간 거리를 형성하고, 이 농도를 전후로 청색 발광이 강해지면서 카본닷의 농도별 이중 발광 특성이 변화하는 현상을 확인했다.
연구팀은 이를 기반으로 청·적색 두 발광 소스를 각각 표면 작용기와 코어 결합구조로 구분, 농도 변화에 따라 각 소스의 이중 발광 기여도가 변화한다는 설명을 제시했다.
연구팀이 합성한 이중 발광 카본닷은 단일 형광체로서 청색과 적색 발광을 동시 구현할 수 있고, 특성 제어가 가능하다. 혼합색 구현은 물론 색 변화에 의한 센싱에 사용할 수 있다.
연구팀은 또 이중 발광 카본닷의 농도 조절을 통해 순수한 백색에 근접한 백색 LED 구현에도 성공하는 한편 이를 색 변화에 의한 pH 센싱에 활용가능하다고 설명했다.
제1 저자인 유효정 박사과정은 “이번 연구 결과는 카본닷 발광 현상 규명에 있어 새로운 관점을 제시한 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
