상온에서 3차원 형상의 퀀텀닷(Quantum Dot) 구조물을 만들 수 있는 기술을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.
30일 UNIST에 따르면 기계공학과 및 인공지능대학원 정임두 교수팀은 퀀텀닷으로 상온에서 추가적인 열처리 없이 복잡한 3차원 형상을 제조할 수 있는 ‘원스톱 페로브스카이트 퀀텀닷 적층 제조 기술’을 개발했다.
퀀텀닷은 자체적으로 빛을 내는 나노미터 크기의 반도체 결정이다. 퀀텀닷 물질로 3차원 형상을 만들기 위해서는 장시간 열을 가해야 하는데, 이는 열에 취약한 퀀텀닷 물질의 특성이 저하하는 단점이 있었다. 특히 페로브스카이트 퀀텀닷은 우수한 발광 효율과 색상의 가변성을 지니고 있지만, 프린팅하는 긴 시간 동안의 열처리 과정에 의해 특성이 저하하거나 형상이 변형되는 등 한계를 보였다.
이에 연구팀은 페로브스카이트 퀀텀닷에 하이드록시프로필 셀룰로스(HPC) 폴리머와 휘발성 용매를 사용해 상온에서 퀀텀닷-폴리머를 겹겹이 쌓아 3차원 인쇄할 수 있는 기술을 개발했다. 하이드록시프로필 셀룰로스로 추가적인 열처리 없이 상온에서 잉크가 안정적으로 압출되도록 하고, 휘발성 용매인 다이클로로메테인(DCM)으로 용매가 잘 증발하지 않도록 해 잉크가 뭉치지 않고 증착되도록 했다.
이와 함께 연구팀은 하이드록시프로필 셀룰로스의 양이나 노즐의 속도, 잉크를 압축하기 위해 가해지는 압력 등 3D 프린팅에 영향을 주는 변수를 최적화시켰다. 이를 바탕으로 연구팀은 피라미드나 에펠탑과 같은 복잡한 구조를 프린팅하는 데 성공했다. 빛의 삼원색을 이용해 구조물에서 각 잉크 색상에 맞는 빛이 발생하도록 했다.
연구팀은 3D 프린팅의 기하학적 형상을 이용해 4중 위조 방지 및 정보 암호화 시스템도 구현했다. 특정한 파장의 빛에서 발광하는 페로브스카이트의 특성을 이용한 것이다.
제1저자 전홍령 연구원은 “퀀텀닷 3D 프린팅 공정을 단순화시켜 상온에서 안정적으로 제조할 수 있게 만들었다”며 “앞으로 향상된 정보 암호화 시스템과 다양한 광전자 인쇄 기술에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 정임두 교수는 “이번 연구는 위조 방지나 정보 암호화, 퀀텀닷 기반 광전자, 에너지 응용 분야 확장에 기여할 것”이라고 덧붙였다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 지난달 온라인으로 게재됐다.
연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 정보통신기술기획평가원의 지원을 받았다.