상온에서도 3차원 형상의 퀀텀닷 구조물을 만들 수 있는 기술이 개발됐습니다.
UNIST 기계공학과 및 인공지능대학원 정임두 교수팀은 원스톱 페로브스카이트 퀀텀닷 적층 제조 기술을 개발했는데요. 퀀텀닷으로 상온에서 추가적인 열처리 없이 에펠탑과 같은 복잡한 3차원 형상을 제조할 수 있는 기술입니다.
퀀텀닷은 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터의 반도체 결정이죠. 기존 퀀텀닷 물질로 3차원 형상을 만들기 위해서는 장시간 열을 가해야 합니다. 열에 취약한 퀀텀닷 물질은 특성이 저하될 수 밖에 없었습니다.
특히 페로브스카이트 퀀텀닷은 우수한 발광 효율과 색상의 가변성이 특징입니다. 이를 활용해 다양한 구조물을 제작하기 위한 연구가 있었으나, 프린팅에서 사용되는 긴 시간 동안의 열처리 과정으로 특성이 저하되거나 형상이 변형되는 등 그 한계성을 보였습니다.
연구팀은 페로브스카이트 퀀텀닷(PQD)에 하이드록시프로필 셀룰로스(hydroxypropyl cellulose, HPC) 폴리머와 휘발성 용매를 사용한 3차원 인쇄로, 상온에서 퀀텀닷-폴리머를 겹겹이 쌓아 만들 수 있는 기술을 개발했습니다.
하이드록시프로필 셀룰로스로 추가적인 열처리 없이 상온에서 잉크가 안정적으로 압출되도록 만들었는대요. 휘발성 용매인 다이클로로메테인(Dichloromethane, DCM)으로 용매가 잘 증발하도록 만들어 잉크가 뭉치지 않고 증착되도록 했습니다.
연구팀은 하이드록시프로필 셀룰로스의 양이나 노즐의 속도, 잉크를 압축하기 위해 가해지는 압력 등 3D 프린팅에 영향을 주는 변수들을 최적화시켰습니다.
이를 바탕으로 피라미드나 에펠탑과 같은 복잡한 구조를 프린팅할 수 있었습니다. 빛의 삼원색을 이용해 구조물에서 각 잉크 색상에 맞는 빛이 발생하도록 만들었습니다.
연구팀은 3D 프린팅이 주는 기하학적 형상을 이용해 4중 위조 방지 및 정보 암호화 시스템 또한 구현했습니다. 특정한 파장의 빛에서 발광하는 페로브스카이트의 특성을 이용합니다.
기존에는 2차원 패턴으로 제한되었으나, 연구팀은 개발된 기술을 활용해 가로와 세로 각각 6개와 5개로 구성된 마이크로 어레이를 제작했습니다. 블록처럼 생긴 마이크로 어레이에 UV 빛을 노출하는데요. 이 각도가 변함에 따라 U, N, IS, T 각각의 글자가 차례대로 나옵니다. 이를 활용하면 2차원 패턴보다 개선된 암호화 시스템을 제작할 수 있는 것입니다.
제 1저자 전홍령 연구원은 “퀀텀닷 3D 프린팅 공정을 단순화시켜 상온에서 안정적으로 제조가 가능하도록 만들었다”며 “앞으로 향상된 정보 암호화 시스템과 다양한 광전자 인쇄 기술에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔습니다.
정임두 교수는 “이번 연구를 통해 열처리 및 광경화처리 없이 페로브스카이트 양자점의 광루미네선스 특성을 유지하면서 잉크가 안정적으로 증착하도록 했다”며 “위조 방지나 정보 암호화 뿐만 아니라 퀀텀닷 기반 광전자 및 에너지 응용 분야 확장에 기여할 것”이라고 덧붙였습니다.
연구 결과는 ‘Advanced Functional Materials’에 3월 온라인 게재됐습니다.
논문명: 3D Printing of Luminescent Perovskite Quantum Dot-Polymer Architectures
#용어설명
1. 페로브스카이트 퀀텀닷(Perovskite Quantum Dot, PQD)
페로브스카이트는 유기 및 무기 원소로 구성된 화합물로 태양 전지 및 발광 다이오드(LED)와 같은 광전자 소자에서 매우 효율적으로 전하를 수송하고 빛을 생성하는 데 사용됩니다. 이를 나노미터 크기의 입자로 만들어 효율적인 기능을 할 수 있게 하였습니다. 페로브스카이트 퀀텀닷의 특성은 그들의 크기에 따라 조절될 수 있으며, 이것은 빛을 다른 파장으로 발생시키거나 흡수하는 능력을 제어하는 데 도움이 됩니다.
2. 직접 잉크 주사 (Direct Ink Writing, DIW)
Direct Ink Writing(DIW)은 3차원 프린팅 기술 중 하나로, 고분자 또는 다른 유약한 물질을 이용하여 원하는 형태의 물체를 직접적으로 인쇄하는 기술입니다. 이 기술은 고해상도, 고정밀도, 그리고 다양한 재료를 사용할 수 있는 장점을 갖고 있어서 재료 공학. 전자 공학, 바이오 의공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
3. 광루미네선스 (Photoluminescence)
광루미네선스는 물질이 빛을 흡수한 후 그 에너지를 방출함으로써 발생하는 현상입니다. 물질이 빛을 흡수하면, 물질 내부의 전자가 고에너지 상태로 이동하게 됩니다. 이 전자는 잠시 후에 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 추가 에너지를 방출합니다. 이때 방출되는 에너지는 빛의 형태로 나타나며 발광합니다. 광학 및 물리학 분야에서는 물질의 광학 특성을 연구하는 데 사용되며, 재료 과학에서는 새로운 광학 소재의 개발 및 특성 평가에 활용됩니다. 또한, 생물학에서는 형광 물질을 사용하여 생물 조직이나 생체 내 물질을 표시할 수 있습니다.
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