기계연, 세계 최초 연속방식 나노입자 정제기술 개발 고품질 양자점 대량 생산 가능해질 전망

기계연, 세계 최초 연속방식 나노입자 정제기술 개발

고품질 양자점 대량 생산 가능해질 전망

[산업일보 홍보영 기자] 대량의 반도체 양자점을 신속하면서도 고품질로 균일하게 정제하는 원천기술이 세계 최초로 개발됐다. 

반도체 양자점(量子點, Quantum Dot)은 지름이 2~10㎚ 크기인 반도체 결정으로, 화학적 합성 공정을 통해 만든다. 같은 성분임에도 크기가 바뀌면 색깔이 바뀌는 특징이 있다. LED, OLED, 태양전지, 바이오 표시자, 바이오센서, 위조방지 인쇄 등의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 

미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택) 나노역학연구실 김덕종 박사팀은 기계연 연구실 정소희 박사팀과 공동으로 연구원 주요사업인 ‘나노소재 기반 기능성 소자 적용기술 개발’을 통해 세계 최초로 연속방식의 나노입자 정제기술을 개발했다. 그 동안 불연속 배치 방식의 나노입자 정제기술이 사용돼 왔으나 대량 생산의 단초가 되는 연속방식 기술은 세계 최초다. 

개발된 기술은 양자점 합성 원액과 양자점 분리를 위한 타깃 용매가 인접해 흐르는 곳에 전극을 통해 전기장을 발생시켜, 불순물이 없는 양자점이 타깃 용매 쪽으로 이동해 흐르게 함으로써 고품질의 양자점 분산액을 연속적으로 얻을 수 있는 새로운 공정 기술이다. 

타깃용매(Target Solvent)의 경우 보통 양자점이 용매에 분산된 것을 가지고 코팅, 인쇄 등 다양한 용액 공정을 거쳐 최종 제품을 만들게 되는데, 용액 공정의 요구 조건을 만족하는 용매가 양자점 합성에 사용되는 용매와 다른 경우가 많아 최종 제품 생산 공정을 위해 양자점을 분산해야 할 용매를 여기서는 타깃용매로 명명했다. 

분산(分散, Dispersion)은 양자점과 같은 입자가 액체 상태의 용매에 고르게 분포할 수 있도록 하는 과정을 말하며, 이 과정을 거쳐 내부에 입자가 고르게 분산돼 있는 용매를 분산액이라고 부른다. 

일반적으로 양자점과 같은 나노입자는 합성 후 불순물 제거를 위한 정제 과정이 필요하다. 기존에는 불순물이 없는 양자점을 얻기 위해 합성원액 내의 양자점을 인위적으로 침전시킨 후 이를 모아 용매에 재분산하는 과정을 수차례 반복하는 정제 과정을 거쳤다. 

이러한 방법은 반복 과정에서 다량의 유기 용매가 버려지므로 환경친화적이지 않고, 작업자에 따른 결과의 차이가 커서 산업적으로 활용될 만한 균일한 품질의 양자점을 대량으로 확보하기에는 어려움이 있었다. 

반면, 기계연 김덕종 박사팀이 개발한 기술은 연속적으로 정제가 가능해 고품질 양자점을 대량 생산할 수 있게 됐다. 유기 용매 소모를 최소화한다는 점에서 친환경적이고, 연속방식이라 대량의 합성원액에 신속히 대응 가능하며, 공정 전반의 자동화가 용이해 정제 결과가 우수하다는 장점이 있다. 

연구책임자인 김덕종 박사는 “지금까지 연속으로 양자점을 합성하는 기술은 활발하게 개발돼 왔지만 정작 합성된 양자점을 연속적으로 정제할 수 있는 기술은 없었다”며, “이번에 세계 최초로 개발된 본 기술은 컨베이어벨트로 제품을 연속적으로 생산하는 것처럼 고품질의 양자점을 대량으로 생산할 수 있게 돼, 향후 양자점 TV 등 새로운 시장 창출에 크게 기여할 것으로 생각한다”고 밝혔다. 

한편, 이 기술과 관련해 국내특허 3건이 등록돼 있으며, 이번 연구결과는 나노기술 분야의 권위 있는 저널인 ‘나노스케일(Nanoscale)’ 온라인판에 게재됐다. 

양자점 합성 원액과 양자점을 최종적으로 분산하고자 하는 용매(타깃 용매)를 인접해 흐르게 하면서 그 계면으로 전기장을 인가하면 양자점은 전기장의 영향으로 타깃 용매 흐름으로 이동하는 반면 불순물은 합성 원액의 흐름에 남아 결과적으로는 불순물 없는 양자점 분산액을 연속적으로 얻을 수 있다. 

개발된 연속 정제 기술은 아래 그림과 같이 대량으로 양자점을 합성하도록 기존에 개발돼 있는 연속 합성 공정에 잘 연계돼 고품질의 양자점 대량 생산을 가능하게 할 것이다.

홍보영 기자 papersong@kidd.co.kr

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