카본닷 농도에 따라 색 변화.. 광학센서 활용성 입증

카본닷의 농도 의존적 발광 특성 입증
발광체로써 센싱 등 응용 가능성 입증

이중 발광을 보이는 카본닷이 농도에 따라 발광특성이 변화하는 이미지

[아시아경제 황준호 기자] 양자점(퀸텀닷) 디스플레이를 대체할 차세대 발광물질로 각광받고 있는 카본닷의 발광 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌다. 김도현 한국과학기술원 생명화학공학과 교수의 연구팀이 차세대 발광 물질인 이중 발광 카본닷의 농도 의존성 발광 특성 변화 메커니즘을 규명했다고 5일 밝혔다. 관련 연구 성과는 국제 학술지인 '피지컬 케미스트리 케미컬 피직스'에 최근 실렸다.

카본닷 농도에 따라 발광 색 달라져

적색 발광이 유리한 임계 농도가 존재함을 보이는 그래프와 용매별 카본닷 입자의 분산성이 발광색에 영향을 나타내는 그래프.

카본닷은 탄소 기반의 발광 물질로, 풍부한 원료와 낮은 독성·친환경 등의 장점을 가진 유기 발광체다. 특히 카본닷은 내부에 여러 종류의 발광 소스를 도입하는 것이 가능하다.

연구팀은 두 가지 색을 내는 '이중 발광 카본닷'을 구성해 특성 변화를 확인했다. 청색과 적색을 이중 발광하는 카본닷을 합성해 농도에 따른 발광 특성 변화를 관찰한 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 분광 분석을 진행해 두 발광 소스를 각각 표면 작용기와 코어의 결합구조로 구분했다. 이를 통해 농도 변화에 따라 각 발광 소스의 이중 발광에 대한 기여도가 변화한다는 것을 확인했다. 특히 연구팀은 고농도 영역의 경우 두 발광 소스의 입자 간 거리 변화 때문에 이중 발광 특성이 제어된다는 원리도 파악했다.

카본닷 발광에 새로운 관점

KAIST 유효정 박사과정(왼쪽부터), 곽병은 석박사통합과정, 김도현 교수

이 외에도 연구팀은 이중 발광 카본닷의 농도 조절을 통해 순수한 백색에 근접한 백색 LED 구현에도 성공했으며, 색 변화에 의한 pH 센싱에 활용해 pH에 따른 청색·적색의 상대적 발광 세기 변화를 통해 pH 추정이 가능하다는 것도 입증했다.

연구팀 측은 "카본닷이 고도화된 기능성을 가진 발광체로써 사용될 수 있다는 가능성을 이번 연구를 통해 다시 한 번 입증한 것"이라고 평가했다.

제1 저자인 유효정 박사과정 학생은 "카본닷 입자 간 거리에 따라 발광 소스의 상호작용이 일어나 농도에 따른 발광 특성에 변화가 일어난다는 해석은 기존 연구에서 간과됐던 부분"이라며 "이중 발광 현상에 대한 분석과 함께 이 연구 결과가 카본닷 발광 현상 규명에 있어 새로운 관점을 제시한 것"이라고 밝혔다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr