텔루륨화은 양자점의 새로운 합성법 및 최초 잉크화 개발

성공으로 확장된 단적외선 영역 신물질 제시

고려대-토론토대 공동 연구팀 논문 ‘ACS Materials Letters’ 게재

▲ 올레일아민(Oleylamine)-Ag2Te CQDs가 상전이 리간드 치환이 가능하게 만듦으로써 상전이 리간드 치환을 활용해 헥세인(hexane)에서 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF)로 용매가 바뀌는 것을 나타낸 그림과 사진.

고려대 화학과 정광섭 교수 연구팀과 토론토 대학교(University of Toronto) 연구팀은 텔루륨화은(Ag2Te) 양자점의 잉크화를 통해 확장된 단적외선 영역에서의 저독성 광검출기 개발을 최초로 성공했다. 

본 연구는 토론토대 전기컴퓨터공학과 에드워드 사전트(Edward H. Sargent) 교수 연구팀과 공동으로 진행했다. 연구 결과는 국제적인 학술지 ‘ACS Materials Letters’(IF: 9.9)에 지난 10월 7일(월) 온라인 게재됐다. 

* 논문명: Extended Short-Wavelength Infrared Ink by Surface-Tuned Silver Telluride Colloidal Quantum Dots and Their Infrared Photodetection

* 논문 URL: https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c01585 

상용화 된 단적외선(Short Wavelength Infrared; SWIR) 광검출기에 활성층으로써 활용되는 물질은 일반적으로 납, 비소, 수은 등의 독성이 높은 물질이 사용됐다. 그러나 최근 다양한 분야에서 적외선 광검출기 수요가 증가함에 따라 EU의 규제인 Restriction of Hazardous Substances(RoHS) 기준에 적합한 적외선 감응 물질에 대한 필요성이 높아지고 있다. 

정광섭 교수 연구팀은 상온에서도 안정성이 높고 저독성이며 적외선 흡수 영역이 확장 가능한 텔루륨화은(Ag2Te) 양자점(Quantum dots, QDs)을 지난 2020년에 제시하였고, 해당 물질은 eSWIR 센서 물질로 주목을 받고 있었다. 그러나 당시에 양자점 표면에 결합력이 센 티올(Thiol) 리간드를 사용하였는데, 이는 양자점의 표면 리간드 치환 과정을 다소 어렵게 하여 적외선 센서 소자의 성능을 개선하기에 한계가 있었다.

정광섭 교수 연구팀과 토론토대의 공동 연구팀은 Ag2Te양자점의 단점을 해결하기 위해 기존에 사용하던 표면 분자를 사용하지 않고, 비교적 표면 원자와의 결합력이 작은 분자를 사용할 수 있게 하여, 소자 제작 시에 높은 전하전달 성질을 가지는 적외선 감응 양자점 박막 형성을 가능하게 했다. 특히, 본 연구팀은 양자점 계면 연구를 통해 적외선 양자점 잉크화를 성공시키며 eSWIR 영역에서 고감도의 상온 적외선 잉크기반 광검출기 중 최고의 성능을 보이는 적외선 양자점 센서를 보고했다. 

해당 연구 결과는 저독성을 요구하는 군수 및 민간 시장에서의 적외선 센서 소재 및 소자 수요를 채우는 것에 도움이 될 것으로 예상되며, 해당 기술의 선점으로 인하여 파생 연구 및 산업적 활용이 매우 클 것으로 기대된다. 

정광섭 화학과 교수는 “저독성 Ag2Te 양자점의 합성법 및 잉크화 기술 개발은 새로운 물질 기반의 적외선 광검출기 물질을 제시한 것뿐만 아니라 향후 반도체 기반의 적외선 LED를 가능하게 하여 의료, 보건 및 군수 등 다양한 수요를 채울 수 있을 것”이라고 기대감을 밝혔다.

본 연구는 한국연구재단 중견연구, 나노‧소재기술개발, 미래소재디스커버리, 및 해외우수과학자 사업의 지원을 받아 수행됐다. 

[첨부] 연구진 및 연구 논문 이미지

[그림 1]

▲ (왼쪽에서) 정광섭 교수(교신저자, 고려대), 에드워드 사전트(Edward H. Sargent) 교수(교신저자, 토론토대), 최동선 박사(공동 제1저자, 토론토대), 김가현 박사(공동 제1저자, 고려대)

[그림 2]

▲ (a) Cl/I-Ag2Te를 사용한 광검출기에 각각 0, 0.2, 그리고 0.3V 전압을 인가하였을 때의 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE) 스펙트라.  

(b) Cl/I-Ag2Te 광검출기에 각각의 전압을 인가하였을 때의 광검출기 응답속도 스펙트라.  

(c) 0.3V를 인가하였을 때의 Cl/I-Ag2Te 광검출기 광검출 감도(detectivity) 그래프.  

(d) 각 파장의 Cl/I-Ag2Te 광검출기의 응답도(responsitivty)과 (파란점) 가장 높은 응답지점(1.7 μm, 빨간별)을 이제까지 보고된 잉크화 CQD 응답도의 비교 그래프. (PbS 잉크, 마름모), (InSb 잉크, 삼각형).