스웨덴 과학자들이 자연 재료로 만든 나노입자를 이용하여 유기 반도체 물질을 개발하는데 성공했다.

과학 기술 전문 매체 테크놀러지 네트웍스는 지난 11월 29일(현지시간) 압력으로 조리된 잎으로 만든 나노입자는 유기 반도체에 사용되는 희귀 원소를 대체할 수 있다며 자작나무 잎에서 나노입자를 추출했다고 보도했다.

이 연구는 덴마크와 중국의 연구자들과의 협업을 통해 진행됐다. 연구진은 고압 가열 방식을 통해 식물 생체질을 나노 크기의 탄소 입자, 즉 탄소 양자점으로 전환하는 데 성공했다. 이 연구 결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 '그린 케미스트리(Green Chemistry)' 저널에 게재됐다.

이번 연구 결과는 유기 전자 제품 분야에서 획기적인 발전으로 기대된다.

이 매체에 따르면 스웨덴 우메아(Umeå) 대학의 물리학자들이 중국과 덴마크의 연구원들과 협력하여 식물 생물질을 나노 크기의 탄소 입자, 이른바 '탄소 양자점'으로 분해하는 새로운 압력 조리 방법을 개발했다.

이 탄소 양자점은 유기 전자 제품에 사용되는 유기 반도체 물질의 일부 희귀 원소를 대체할 수 있을 만큼 좋은 광학 특성을 가지고 있다.

연구원들은 또한 자작 나무잎에서 유래한 탄소 양자점을 사용하여 생물 기반 반도체 물질을 생산하는 데 성공했다고 보고했다.

유기 반도체의 지속가능성

유기 반도체는 전자 장치에 있어 가장 중요한 기능성 재료 중 하나로, 특히 유기 발광 다이오드(OLED)에서 주목받고 있다.  

광전자 분야에서 이러한 반도체는 초박형 밝은 텔레비전과 휴대 전화 화면에 사용되는 유기 발광 다이오드(OLED)를 전원 공급하는 데 가장 유명하다.

그러나 유기 반도체 기술에 대한 수요가 증가함에 따라 큰 문제가 발생한다. 대부분의 유기 반도체는 대부분 지속 가능하지 않은 원료인 석유 화학 물질과 플래티넘, 인듐, 인과 같은 희귀 원소를 사용하여 제조된다. 이러한 소위 '핵심 원료'는 환경에 특히 좋지 않다는 점에서 문제가 있다.

반도체 산업의 지속가능성을 높이기 위해 연구원들은 이러한 핵심 원료를 대체할 수 있는 대체 원료를 조사하기 시작했다.

우메아 대학 물리학과 연구원 지아 왕(Jia Wang) 박사는 "우리 연구의 핵심은 인근 재생 가능 자원을 활용하여 유기 반도체 물질을 생산하는 것이다"라고 말했다.

새로운 연구에서 왕 박사와 그녀의 동료들은 생물 기반 탄소 양자점을 유일한 원료로 사용하는 반도체의 성공적인 생성을 보고했다.

자작나무 잎에서 양자 물질까지

이 새로운 반도체의 합성은 매우 간단하다. 우메아 대학 캠퍼스에서 자라는 자작나무에서 잎을 딴 후, 연구원들은 에탄올 용액을 사용하여 용매열 반응 과정을 통해 잎을 효과적으로 압력 조리했다.

이 용액을 건조하고 추출하면 크기가 약 2나노미터인 탄소 나노 물질로 구성된 양자점인 '탄소 양자점'이 생성된다. 신선한 에탄올 용액에 용해되면 탄소 양자점은 좁은 밴드의 깊은 붉은 빛을 방출한다.

연구원들은 탄소 양자점을 사용하여 새로운 발광 전기 화학 장치를 제조할 수 있었으며, 최대 100 坎델라/제곱미터(cd/m2)의 밝기를 생성할 수 있다. 이것은 일반 컴퓨터 화면에서 발산되는 광량과 동일하다.

왕 박사는 "우리의 방법은 자작 나무잎에 국한되지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요하다"라고 덧붙였다. 그는 "우리는 동일한 압력 조리 방법으로 다른 식물 잎을 테스트했으며 모두 유사한 빨간색 방출 탄소 양자점을 생성했다. 이러한 다양성은 이 변환 과정이 다른 위치에서 사용될 수 있음을 시사한다"고 말했다.

상업용 양자점과는 달리, 새롭게 개발된 바이오 기반 탄소점은 석유화학 화합물, 중금속, 또는 중요한 원재료를 포함하지 않는다. 왕 박사는 이러한 바이오매스 기반 탄소점이 고갈되는 석유 화합물 대신 유기 반도체의 원료로 사용될 수 있음을 시사한다고 말했다.

연구팀은 이 바이오 기반 탄소점이 발광 소자를 넘어 다양한 분야에서 응용될 수 있다고 기대했다. 왕 박사는 "이 카본닷은 바이오 이미징, 센싱, 위조 방지 등 여러 응용 분야에서 유망한 소재다. 우리는 이러한 지속 가능하고 발광성 있는 탄소점의 새롭고 흥미로운 용도를 탐구하기 위해 협력을 기대하고 있다'라고 말했다.