숙명여대 권우성 교수팀, 상온에서 신속 합성 가능한 고효율 탄소 양자점 개발 … 차세대 디스플레이 상용화 앞당긴다

숙명여자대학교는 화공생명공학부 권우성 교수 연구팀이 고온·고압의 복잡한 공정 없이 간단한 혼합만으로 세계 최고 수준의 발광 효율을 내는 탄소 나노 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

흡수한 빛의 86%를 다시 빛으로 방출하는 고효율을 보여 디스플레이와 바이오 센서 분야에서의 상용화를 앞당길 획기적인 기술로 평가된다.

이번 연구는 한국전자기술연구원(KETI), 한국과학기술원(KAIST)과 함께 진행했다.

공동 연구팀은 1,3-다이하이드록시나프탈렌(1,3-DHN)을 전구체로 사용해 상온(약 25°C)에서 적색과 근적외선(NIR) 이중 발광 탄소 양자점을 신속하게 합성하는 기술을 개발했다.

기존의 탄소 양자점(CQDs, 탄소 기반의 초미세 발광 나노 소재)은 합성을 위해 높은 온도와 압력이 필요하거나 복잡한 전구체를 사용해야 하는 등 공정상의 어려움이 있었다. 반응 시간이 길어 생산 효율도 한계가 있었다.

연구팀은 산화제(질산철/질산)와 전구체를 이소프로판올 용매에서 혼합하는 '산화 방향족 커플링(Oxidative Aromatic Coupling)' 반응을 이용해 이 문제를 해결했다. 이 방식은 별도의 외부 가열 없이 상온에서 교반(기계 에너지를 사용해 서로 다른 물질을 균일한 혼합 상태로 만드는 과정)만으로 반응이 진행되며, 반응 시작 1시간 만에 최적의 광학적 특성을 가진 입자를 합성해 낼 수 있다. 공정 에너지를 획기적으로 줄이면서 대량 생산 가능성을 제시했다.

이번에 개발된 탄소 양자점은 610나노미터(㎚) 파장의 선명한 적색 빛과 750㎚ 파장의 근적외선 빛을 동시에 방출하는 이중 발광 특성을 보인다. 특히 적색 발광의 절대양자효율(PLQY·흡수된 광자 수 대비 방출된 광자 수 비율)은 86%로, 현재까지 보고된 장파장 발광 탄소 양자점 중 가장 높은 수준에 해당한다. 기존 적색 발광 탄소 소재들이 낮은 효율로 상용화에 어려움이 있었다는 점을 고려하면, 차세대 디스플레이 소재로서 강력한 경쟁력을 입증한 것이다.

연구팀은 이번 연구에서 그동안 명확히 밝혀지지 않았던 탄소 양자점의 근적외선 발광 원리도 규명했다. 펨토초(1000조 분의 1초) 단위의 과도 흡수 분광법(Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy)과 이론적 시뮬레이션(TDDFT)을 통해 적색 발광은 단일 형광체(HHAP)에서 나오지만, 근적외선 발광은 형광체들이 층층이 쌓인 '엑시머(Excimer)' 구조에서 기인한다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다. 향후 원하는 파장대의 빛을 내는 탄소 소재를 설계하는 데 중요한 이론적 토대를 제공할 것으로 기대된다.

이번에 개발된 탄소 양자점은 높은 효율과 광안정성을 바탕으로 다양한 분야에 적용될 전망이다. 연구팀은 탄소 양자점을 고분자 필름(PMMA) 형태로 제작해 발광다이오드(LED) 백라이트 등에 적용할 수 있는 색 변환 필름의 가능성을 확인했다. 이 필름은 높은 열적 안정성과 이상적인 적색 표준 좌표에 근접한 색 순도를 나타냈다.

또한 750㎚ 대역의 근적외선 발광은 피부 투과율이 높아 생체 조직의 깊은 곳까지 관찰해야 하는 바이오 이미징이나 광센서 분야에서 높은 활용도를 보일 것으로 전망된다.

권 교수는 "이번 연구는 고효율 적색·근적외선 탄소 소재를 쉽고 빠르게 만드는 방법을 제시하고 발광 원리까지 명확히 규명함으로써 차세대 광전 소자 개발을 위한 가이드라인을 제시했다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 화학공학 분야의 권위 있는 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal·화학공학 저널) 2026년 530호에 게재됐다. 숙명여대 화공생명공학부 서세정 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 '중견연구자지원사업', '나노 및 소재기술개발사업', '우수연구센터', ㈜삼성디스플레이 '차세대 탄소 양자점 발광체 개발 연구'의 지원을 받아 수행됐다.