상온에서도 3차원 형상의 퀀텀닷 구조물을 만들 수 있는 기술이 개발됐다.
UNIST(총장 이용훈) 기계공학과 및 인공지능대학원 정임두 교수팀은 원스톱 페로브스카이트 퀀텀닷 적층 제조 기술을 개발했다. 퀀텀닷으로 상온에서 추가적인 열처리 없이 에펠탑과 같은 복잡한 3차원 형상을 제조할 수 있는 기술이다.
그림1. DIW 기반 PQD-Polymer 잉크 프린팅 개요도 및 잉크의 유변학적 특성
퀀텀닷은 자체적으로 빛을 내는 수 나노미터의 반도체 결정이다. 기존 퀀텀닷 물질로 3차원 형상을 만들기 위해서는 장시간 열을 가해야 한다. 열에 취약한 퀀텀닷 물질은 특성이 저하될 수 밖에 없었다.
특히 페로브스카이트 퀀텀닷은 우수한 발광 효율과 색상의 가변성을 가진다. 이를 활용해 다양한 구조물을 제작하기 위한 연구가 있었으나, 프린팅에서 사용되는 긴 시간 동안의 열처리 과정으로 특성이 저하되거나 형상이 변형되는 등 그 한계성을 보였다.
그림2. PQD-Polymer 잉크의 Photoluminescent 특성
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 개발했다.
하이드록시프로필 셀룰로스로 추가적인 열처리 없이 상온에서 잉크가 안정적으로 압출되도록 만들었다. 휘발성 용매인 다이클로로메테인(Dichloromethane, DCM)으로 용매가 잘 증발하도록 만들어 잉크가 뭉치지 않고 증착되도록 했다.
연구팀은 하이드록시프로필 셀룰로스의 양이나 노즐의 속도, 잉크를 압축하기 위해 가해지는 압력 등 3D 프린팅에 영향을 주는 변수들을 최적화시켰다.
이를 바탕으로 피라미드나 에펠탑과 같은 복잡한 구조를 프린팅할 수 있었다. 빛의 삼원색을 이용해 구조물에서 각 잉크 색상에 맞는 빛이 발생하도록 만들었다.
그림3. layer-by-layer 방식 적층을 통한 RGB 색을 발광하는 아키텍처
연구팀은 3D 프린팅이 주는 기하학적 형상을 이용해 4중 위조 방지 및 정보 암호화 시스템 또한 구현했다. 특정한 파장의 빛에서 발광하는 페로브스카이트의 특성을 이용한다.
기존에는 2차원 패턴으로 제한되었으나, 연구팀은 개발된 기술을 활용해 가로와 세로 각각 6개와 5개로 구성된 마이크로 어레이를 제작했다. 블록처럼 생긴 마이크로 어레이에 UV 빛을 쬔다. 이 각도가 변함에 따라 U, N, IS, T 각각의 글자가 차례대로 나온다. 이를 활용하면 2차원 패턴보다 개선된 암호화 시스템을 제작할 수 있는 것이다.
그림4. PQD-Polymer 3D 프린팅을 활용한 위조 방지 및 다중 정보 암호화 구조물
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 밝혔다.
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 덧붙였다.
이번 연구는 해당 분야 세계 상위 5% 이내의 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 3월 온라인 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단과 정보통신기술기획평가원의 지원으로 이뤄졌다.