- KAIST 정연식 교수, 장민석 교수팀, 적층형 퀀텀닷 나노구조체 최초 구현

- 최고 성능의 3차원 카이랄 광학 특성을 달성해 약물 스크리닝 등 바이오 물질 검출 플랫폼으로 활용 가능

- 일반 퀀텀닷 필름 대비, 7배 이상 높은 발광 효율 기록

- 세계 최고 수준 원편광 이색성 성능 달성, 바이오 물질 검출 플랫폼으로 활용 기대

KAIST 연구팀이 초미세 전사 프린팅 기술을 이용해 3차원 퀀텀닷 구조를 제작하는 데 성공했다. 이 기술은 범용성이 뛰어나고 대면적화가 가능해 고성능 소자 양산에 활용될 수 있다. 또한, 구조적 비대칭성을 가진 대면적 카이랄 구조체를 구현해 세계 최고 수준의 원편광 이색성 성능을 달성했다.

▲정연식 교수팀 사진(뒷쪽 정연식 교수, 앞줄 왼쪽 KAIST 신홍주 박사, 앞줄 오른쪽 KAIST 김건영 박사)-(사진제공=KAIST)

3차원 광학 나노구조체는 빛의 진폭, 위상, 편광 상태를 정밀하게 조작할 수 있어 포토닉스 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 한국 연구진이 기존 기술로는 구현이 어려웠던 3차원 퀀텀닷 나노구조체를 정교하게 쌓아 올리는 적층 방식으로 구현하는 데 성공했다. 

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 정연식 교수, 전기및전자공학부 장민석 교수, 동국대학교 최민재 교수 공동 연구팀이 초미세 전사 프린팅 기반으로 3차원 퀀텀닷 구조 제작 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

▲개발한 3차원 퀀텀닷 패터닝 기술을 활용한 나노구조체 제작 예시 및 광학적 활용. 소수성 ~ 친수성에 걸친 다양한 퀀텀닷 재료 기반 나노구조체 제작이 가능하며 우수한 패턴 품질 및 높은 두께의 3차원 구조 형성이 가능하여 발광소재, 카이랄소재의 혁신적인 효율 향상을 달성함. (사진제공=KAIST)

연구팀이 개발한 이 기술은 대부분의 나노입자에 적용될 수 있어 범용성이 뛰어나고 우수한 패턴 품질을 제공할 수 있다. 또한, 프린팅 방식으로 대면적화가 가능해 고성능 소자 양산에 활용할 수 있는 장점을 가진다.

특히 편광 빛에 대한 선택적 반응을 보이는 구조적 비대칭성을 가진 대면적 카이랄 구조체를 구현해 기존 최고 기록인 19도 대비 향상된 약 21도의 세계 최고 수준 원편광 이색성(Circular dichroism) 성능을 달성했다. 

따라서 이 기술은 카이랄 특성을 가진 바이오 물질들을 검출할 수 있는 플랫폼으로 활용될 수 있으며, 높은 반응성 덕분에 더 정밀하고 빠른 약물 스크리닝이 가능할 것으로 기대된다.

또한, 장민석 교수팀이 설계한 그물 형태의 퀀텀닷 나노 패턴을 해당 기술을 활용하여 실험적으로 구현한 결과, 일반 퀀텀닷 필름 대비, 약 7배 이상 높은 발광 효율을 달성해 향후 고성능 퀀텀닷 디스플레이 소자에의 응용 가능성을 보였다.

연구를 주도한 KAIST 정연식 교수는 “이번 연구는 퀀텀닷뿐만 아니라 다양한 고성능 콜로이드 소재를 3차원 나노 구조화함으로써, 차세대 광학 메타물질 및 고감도 바이오센서 분야 등에서 새로운 장을 열 것으로 기대된다 아울러 광학 설계 및 분석 연구와 초미세 나노공정 기술이 융합해 이룬 성공 사례의 하나로도 볼 수 있다”라고 말했다. 

KAIST 신소재공학과 김건영 박사와 전기및전자공학부 김신호 박사가 공동 제1 저자로 연구를 주도한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 8월 14일 게재됐다. (논문명: Chiral 3D structures through multi-dimensional transfer printing of multilayer quantum dot patterns).

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 나노 및 소재기술개발사업, 교육부가 추진하는 이공분야 학술연구사업, 산업통상자원부에서 추진하는 전자부품산업기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

□ 용어 설명

퀀텀닷 (Quantum Dots)

나노미터 크기의 반도체 입자로, 전자 및 빛을 특정 파장으로 방출할 수 있는 특성을 지닌 물질이다. 다양한 종류의 퀀텀닷 중, 높은 발광 변환 효율을 갖고 있는 퀀텀닷은 주로 디스플레이와 광학 소자에 많은 활용이 되어 왔다. 

카이랄 구조체 (Chiral Structure)

좌우 대칭이 아닌 비대칭적인 구조를 지닌 물질로, 이러한 비대칭성으로 인해 특정 방향으로 회전하는 원형 편광된 빛에만 선택적으로 반응하는 독특한 광학적 특성을 갖는다. 이 구조체는 빛의 편광 상태에 따라 다른 거동을 보이며, 이러한 특성 덕분에 카이랄 센서, 분자 인식, 광학적 소자 등 다양한 응용 분야에서 활용되며 최근 연구에서는 메타물질 연구와 결합되어 자연계 물질 성능의 한계를 넘어서는 연구가 진행되고 있다.

원편광이색성(Circular Dichroism)

물질이 좌회전과 우회전하는 원형 편광된 빛을 다르게 흡수하는 성질을 의미하며, 분자의 입체 구조 분석에 사용된다.

메타물질(Metamaterials)

자연계에는 존재하지 않는 인공적으로 설계된 구조로, 빛이나 전파와 같은 파동을 제어할 수 있는 특성을 지닌다. 이 물질은 주기적인 나노 구조체로 이루어져 있으며, 음의 굴절률이나 초고주파 필터링 같은 비전형적인 파동 거동을 가능하게 한다. 메타물질은 초고해상도 렌즈, 스텔스 기술, 고성능 안테나 등 차세대 혁신 기술에 활용되며, 광학, 통신, 방위산업 등 다양한 분야와 관련이 있다.