보도자료

2024. 4. 30 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

퀀텀닷 3차원 구조물, 상온에서 쉽게 만든다!

UNIST 정임두 교수팀, 원스톱 페로브스카이트 퀀텀닷 3D 프린팅 기술 개발
4중 위조 방지나 정보 암호화 시스템에도 활용 가능해… Adv. Funct. Mater. 게재

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.

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.

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.

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.

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.

(논문명: 3D Printing of Luminescent Perovskite Quantum Dot-Polymer Architectures)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

기계공학과: 정임두 교수 (052)217-3060

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기-무기 메틸암모늄 납-할로겐화물 CH3NH3PbX3(X = Cl, Br 및 I) 페로브스카이트 구조를 가진 퀀텀닷(PQD)은 높은 광발광 (PL) 효율, 색상과 같은 탁월한 물리적 특성을 지닌 매력적인 광전자 재료입니다. 조정 가능성, 짧은 방사 수명, 협대역 방출 및 용액 가공성. PQD는 태양전지, 발광 다이오드, 광검출기를 포함한 다양한 광전자 장치에서 상당한 주목을 받아왔습니다. 순수 PQD는 높은 흡수 및 방출 효율을 나타내어 광전자 공학 및 광전지에 유망한 응용 분야입니다. 그러나 열과 산소에 노출되면 분해되기 쉬운 단점이 있습니다. PQD에 복합재를 도입하면 3D 프린팅 구조의 전반적인 안정성과 기계적 강도 및 견고성이 향상됩니다. inkjet 혹은 laser writing 등 PQD 기반 구조물을 프린트하였지만 평면 표면의 2D 디자인 생산에 중점을 두는 기존 패터닝 기술에 의존합니다.

본 연구에서 PQD로 구성된 구조물의 효율을 높이고 기하학적 확장성을 개선하기 위해 layer-by-layer 적층을 가능하게 하는 복합재와 프린트 방식을 도입하여 3D 아키텍처를 구현하였습니다. 기존 PQD 기반 3D 프린팅은 오랜 시간의 후처리, 엄격한 환경 제어 및 복잡한 구조의 3D 프린팅에 대한 제한 등이 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 온도와 습도 등 주변 환경에 크게 구애받지 않으며 공정을 단순화하여 PQD 기반 3D 아키텍처 제작에 기여하고자 했습니다.

2. 연구내용

본 연구에서는 DIW 방식을 통해 PQD 기반 3D 구조물을 구현하였으며 UV에 색을 발현한다는 특징과 3D 프린팅으로 인한 기하학적 확장을 바탕으로 4중 위조 방지 및 정보 암호화를 보여주는 시스템을 구현하였습니다. 복합재로 사용된 HPC는 상온에서 잉크가 안정적으로 압출되도록 하며 용매로 사용된 DCM은 휘발성이 높기 때문에 잉크가 증착될 수 있도록 해줍니다. 잉크는 CH3NH3PbX3(X = Cl, Br 및 I, 할로겐화물 음이온) 구조를 가진 PQD에서 할로겐화물의 비율을 조절해서 UV에서 각각 RGB 색을 발현하도록 하였습니다.

잉크는 압출될 때 유체와 같은 특성을 가져야 하며 압출된 후 변형이 되지 않는 고체와 같은 특성을 가져야 합니다. 이에 잉크에 대한 유변학적 분석을 통해 잉크가 점탄성적인 특징을 가진다는 것을 확인하였습니다. 다양한 프린팅 매개변수를 조정하면서 선폭의 변화를 측정하였고 3D 프린트 결과물에 어떤 영향을 미치는지 탐구해보았습니다. 그리고 합성된 잉크가 페로브스카이트 특성을 잘 갖추고 있는지 파악하기 위해 X선 회절, UV-vis 분광스펙트럼, 원소 매핑 등을 통해 구성 원소, 결정 구조, 발광 특성 등을 측정했습니다. (그림 1-3)

개발된 잉크 합성을 통해 압출된 잉크가 연속적인 증착이 가능하기 때문에 프린팅 매개변수를 최적함으로써 피라미드나 에펠탑과 같이 복잡한 아키텍처를 구현하였습니다.프린팅 속도가 크기에 비해 빠르면 DCM의 완전한 증발이 일어날 수 있지 않기 때문에 잉크 레이어들이 뭉쳐질 수 있습니다. 그러기에 프린트 구조와 크기에 따라 프린트 속도를 최적화시켜야 합니다. 프린트된 구조물은 상온에서 150시간이 지나도 발광 기능을 유지했습니다. (그림 4)

UV에서 특정 색상을 방출하는 것은 고정밀 보안 기술에 널리 사용될 수 있습니다. PQD는 다양한 색상을 방출할 수 있으며 위조 방지 및 정보 암호화 기능을 제공할 수 있습니다. 본 연구에서는 알파벳 문자를 다양한 각도로 표시하는 6x5 블록을 제작하였습니다. 위에서 비스듬히 보았을 때 6x5 블록 어레이는 일반적인 상황에서 연한 노란색 배열을 보여주지만 UV에서 0도에서 “U”, 90도에서 “N”, 180도에서 “IS”, 270도에서 “T” 문자를 보여줍니다. 3D 구조의 다양한 높이와 각도는 자제 정보의 암호화 및 위조 방지를 용이하게 해줄 수 있습니다. (그림 5, 6)

3. 기대효과

본 연구는 다양한 형상을 가진 3D PQD 폴리머 아키텍처의 제작을 탐구하였습니다. 잉크는 HPC 및 DCM을 사용하여 주변 환경에 구애받지 않고 후처리가 필요 없이 안정적인 압출을 하도록 하였습니다. UV에서 특정 색상을 방출하는 PQD의 기능을 활용하여 다양한 보안 기능을 제공하는 위조 방지 및 정보 암호화 어레이를 제작하였습니다. 구성 조합의 범위를 확장하여 데이터 저장 및 암호화 용량을 향상시킬 수 있습니다. DIW 방식이 가져다주는 공정의 단순성과 다양성은 3D-PQD 아키텍처의 응용 범위 확장에 기여할 것으로 기대됩니다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 퀀텀닷(Perovskite Quantum Dot, PQD)

페로브스카이트는 유기 및 무기 원소로 구성된 화합물로 태양 전지 및 발광 다이오드(LED)와 같은 광전자 소자에서 매우 효율적으로 전하를 수송하고 빛을 생성하는 데 사용됩니다. 이를 나노미터 크기의 입자로 만들어 효율적인 기능을 할 수 있게 하였습니다. 페로브스카이트 퀀텀닷의 특성은 그들의 크기에 따라 조절될 수 있으며, 이것은 빛을 다른 파장으로 발생시키거나 흡수하는 능력을 제어하는 데 도움이 됩니다.

2. 직접 잉크 주사 (Direct Ink Writing, DIW)

Direct Ink Writing(DIW)은 3차원 프린팅 기술 중 하나로, 고분자 또는 다른 유약한 물질을 이용하여 원하는 형태의 물체를 직접적으로 인쇄하는 기술입니다. 이 기술은 고해상도, 고정밀도, 그리고 다양한 재료를 사용할 수 있는 장점을 갖고 있어서 재료 공학. 전자 공학, 바이오 의공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

3. 광루미네선스 (Photoluminescence)

광루미네선스는 물질이 빛을 흡수한 후 그 에너지를 방출함으로써 발생하는 현상입니다. 물질이 빛을 흡수하면, 물질 내부의 전자가 고에너지 상태로 이동하게 됩니다. 이 전자는 잠시 후에 낮은 에너지 상태로 돌아가면서 추가 에너지를 방출합니다. 이때 방출되는 에너지는 빛의 형태로 나타나며 발광합니다. 광학 및 물리학 분야에서는 물질의 광학 특성을 연구하는 데 사용되며, 재료 과학에서는 새로운 광학 소재의 개발 및 특성 평가에 활용됩니다. 또한, 생물학에서는 형광 물질을 사용하여 생물 조직이나 생체 내 물질을 표시할 수 있습니다.

[붙임] 그림설명

그림1. DIW 기반 PQD-Polymer 잉크 프린팅 개요도 및 잉크의 유변학적 특성

a. PQD-Polymer 잉크에 대한 DIW 프린팅 방식의 모식도

b. UV 하에서 잉크 이미지

c. PQD 및 잉크 합성 과정 개략도

d. 유리 기판에서 잉크가 연속적으로 증착되는 것을 보여주는 이미지

e. PQD-Polymer 잉크의 유변학적 특성을 보여주는 그래프

f. 잉크의 점탄성 특성을 보여주는 그래프

그림2. PQD-Polymer 잉크의 Photoluminescent 특성

a. 잉크의 할로겐화물 비율(I, Cl, Br)에 따른 X선 회절(XRD) 패턴

b. 잉크의 Photoluminescent 방출 스펙트럼

c. 잉크의 UV-vis 흡수 스펙트럼

d. PQD 함량에 따른 잉크 색의 CIE 색도 다이어그램

e. 전자 현미경(SEM)를 이용한 잉크 패턴 이미지 및 원소 매핑

f. 전자 현미경(SEM)를 이용한 에너지 스펙트럼 결과

그림3. layer-by-layer 방식 적층을 통한 RGB 색을 발광하는 아키텍처

a. 다양한 인쇄 속도와 크기에 따른 3D 프린트 피라미드의 인쇄 가능성 테스트

b. 디자인된 형상과 프린트된 형상 간의 면적분율을 나타내는 그래프

c. 프린트된 에펠탑 구조물에 대한 광학 이미지

그림4. PQD-Polymer 3D 프린팅을 활용한 위조 방지 및 다중 정보 암호화 구조물

a. 삼각형 단위로 구성된 위조 방지 큐빅 아키텍처의 모식도

b. 개별 큐브 면에 G 또는 B 방출 PQD-HPC로 구성된 6 × 5 3D 어레이의 도식적 설계

c. 위에서 본 알파벳(U, N, I, S, T)의 암호화 설계

d. 일광 및 385nm UV 조명 하에서 3D 프린팅된 6×5 배열 입방체 아키텍처의 그림

그림5. 3D printing으로 구현한 위조 방지 및 다중 정보 암호화 구조물

a. 문자 U, N, IS 및 T를 표시하는 각 어레이 측면의 암호 해독을 위한 G 및 B 방출 PQD-HPC를 갖춘 2색 위조 방지 3D 입방체 어레이의 도식

b. 일광 및 385nm에서 90도 마다 문자 U, N, IS 및 T를 보여주는 광학 이미지

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