바이오센서와 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 그래핀 양자점. 그래핀 양자점이란 도체물질인 그래핀을 반도체 형태로 만들기 위해 크기를 10nm 이하의 점 형태로 만든 물질을 일컫는다. 이는 새로운 종류의 양자점으로, 입자가 수십 나노미터 이하인 경우 전자가 공간 벽에 의해 갇혀 특이적으로 도체물질이 반도체 특성을 갖는 점을 이용하고 있다.
이런 가운데 국내 연구진이 흑연 나노입자를 이용해 순수한 그래핀 양자점을 개발하는 데 성공했다. 서태석 카이스트 생명화학공학과 교수와 조용훈 물리학과 교수 공동 연구팀이 순수 그래핀 양자점 연구에 성공, 그래핀 양자점에서 방출되는 형광 빛의 원인을 밝힌 것이다.
해당 연구결과는 그 성과를 인정받아 나노분야의 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 표지논문으로 게재되기도 했다.


그래핀 발광, 근원을 밝히다

“이번 연구는 그래핀을 그래핀 양자점 형태로 제작해 형광발광의 이유를 밝히고자 진행한 연구입니다. 그래핀은 형광 특성이 없지만 그래핀 양자점은 특이적으로 형광색의 발광현상을 보이거든요. 성공적인 연구를 위해 ‘양자구속 효과’를 이용했어요. 이는 입자가 수십나노미터 이하인 경우 전자가 공간 벽에 갇히게 되면서 특이적으로 반도체 물질의 특성을 갖는 성질을 의미합니다.”
기존의 그래핀 양자점은 대부분 산화된 그래핀 양자점을 다시 환원하는 방식으로 제작됐다. 따라서 그래핀 양자점 구조에 존재하는 순수한 탄소 결합과 산소결합에 의해 형광 특성이 혼합돼 있어 발광의 근원을 정확히 구분하기 어려웠다. 복잡한 화학적 방법으로 제작해 생산성이 떨어진다는 지적도 있었다.
그렇다면 순수한 그래핀 양자점이란 과연 무엇일까. 이는 그래핀 표면이나 끝에 산화기능기, 즉 ‘히드록시기(-OH)’, ‘카르복실기(-COOH)’, ‘에테르기(-OH)’가 없는 그래핀을 말한다. 파란색 형광을 띠는 순수한 그래핀 양자점은 빠른 시간 내에 제작이 가능하기 때문에 추후 다양한 광소자에 사용될 수 있을 것으로 기대를 받는다.
“기존의 그래핀 양자점은 대부분 크기가 큰 산화 그래핀을 산 용액 속에서 고온·고압 조건 아래 점 형태로 잘라내는 반응인 ‘수열반응’을 통해 제작됐습니다. 이는 산화된 그래핀을 다시 환원시키기 위해 제작된 그래핀 양자점으로, 완전히 순수한 그래핀 양자점이라고 보기는 힘들죠. 이를 통해서는 그래핀 양자점의 발광현상을 명확히 규명할 수 없었습니다. 남아 있는 산화 기능기에서 발광현상이 발생한 것인지, 나노크기의 그래핀 양자점에서 나타나는 것인지 분간이 힘들었기 때문이죠. 따라서 이의 원인을 찾는 연구가 가장 시급했습니다.”
서태석 교수팀은 그래핀 양자점의 정확한 발광 원인을 규명하기 위해 수 나노미터 크기의 흑연 나노입자를 이용, 순수한 그래핀 양자점을 산화반응의 과정 없이 제작했다. 더불어 일반적으로 사용되고 있는 산화 과정을 흑연 나노입자에 적용해 산화 그래핀 양자점을 간단하게 제작하는 방법도 개발했다.
“저희 연구팀은 그래핀 양자점을 만드는 시작 물질을 산화 그래핀으로 출발하지 않고, 평균 4나노미터 크기의 흑연 나노입자를 이용했습니다. 물리적 박리를 통해 산화 과정을 일절 사용하지 않는 방법으로 순수한 그래핀 양자점을 제작한 것이죠. 또한 흑연을 산화그래핀으로 제작하는 가장 보편적인 방법인 ‘휴머즈 방법’을 흑연 나노입자에 적용해 산화 기능기가 많은 산화 그래핀 양자점을 제작했어요. 그리고 두 물질의 형광 특성을 비교 분석했고 이를 통해 그래핀 양자점의 형광 근원을 분석할 수 있었죠.”


긴 탐구 후에 찾아온 성과




이와 함께 연구팀은 다양한 광분석 기법을 이용, 순수한 그래핀 양자점의 파란색 형광 현상이 벤젠 형태의 탄소 결합에 의한 것임을 규명했다. 산화 그래핀 양자점의 녹색 발광이 그래핀에 결합된 다양한 산소 기능기에 의한 것이라는 사실도 밝혀냈다.
이처럼 기존의 연구가 한계에 도달했던 부분을 규명했기에 서 교수팀의 연구는 그 성과를 인정받고 있지만 이러한 결과를 얻기까지 연구 주제에 대한 깊은 탐구는 계속 이어져야 했다.
“순수한 그래핀 양자점은 새로운 형태의 물질이기 때문에 이에 대한 정확한 분석과 검증이 필요했습니다. 때문에 우리 연구팀은 다양하고 심층적인 광분석과 재료에 대한 표면 분석을 통해 그래핀 양자점의 형광 원인을 규명했어요. 연구 과정을 돌이켜보면 재료를 제작한 시간보다 이를 분석하는 것에 더욱 긴 시간을 소요했었죠. 그렇게 긴 탐구기간이 있었기에 이번 성과가 가능했다고 생각합니다.”
서 교수팀의 이번 연구는 기존 과학자들이 밝혀내지 못한 새로운 형태의 물질인 그래핀 양자점의 형광에 대한 원인을 순수한 그래핀 양자점과 산화 그래핀 양자점 두 가지 물질을 비교 분석해 규명했다는 것에 의의가 있다.
이번 연구와 관련 서 교수는 “우리 연구팀이 제작한 두 가지 재료인 순수한 그래핀 양자점과 산화 그래핀 양자점은 모두 각각 다양한 형태의 광소자로써 응용될 수 있다”며 “특히 그래핀은 독성이 없고 광 안정성도 뛰어날 뿐 아니라 물에도 매우 안정하게 녹기 때문에 바이오 분야에 다양하게 응용될 수 있다”고 강조했다.
이어 그는 “순수한 그래핀 양자점의 개발과 발광 특성 분석을 통해 기존에 뚜렷하게 설명되지 않았던 그래핀 양자점에서의 파란색 형광 빛의 원인을 밝혀냈다”며 연구의 의의를 밝혔다.
“현재 우리 연구실에서는 반도체 특성을 갖는 그래핀 양자점을 이용해 바이오 센서나 바이오 이미징, 광소자 등 다양한 형태로 연구를 진행하고 있습니다. 앞으로 더욱 심화된 연구를 통해 그래핀 양자점의 응용가능성을 더욱 넓혀 나갈 계획입니다.”