숙명여자대학교는 화공생명공학부 권우성 교수 연구팀이 고온·고압 공정 없이 상온에서 신속 합성 가능한 고효율 탄소 양자점을 개발했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 숙명여대와 한국전자기술연구원, KAIST 공동으로 진행됐다. 연구팀은 1,3-다이하이드록시나프탈렌을 전구체로 사용해 약 25도 상온에서 적색과 근적외선 이중 발광 특성을 지닌 탄소 양자점을 합성하는 데 성공했다.

연구팀에 따르면 기존 탄소 양자점은 높은 온도와 압력이 필요하거나 공정이 복잡해 반응 시간이 길고 생산 효율에 한계가 있었다. 이번 연구에서는 산화제와 전구체를 이소프로판올 용매에서 혼합하는 ‘산화 방향족 커플링’ 반응을 적용해 별도의 외부 가열 없이 교반만으로 반응이 진행되도록 했다. 반응 시작 후 1시간 이내에 최적의 광학 특성을 지닌 입자를 합성할 수 있어 공정 에너지 절감과 대량 생산 가능성을 제시했다.

이번에 개발된 탄소 양자점은 610㎚ 파장의 적색과 750㎚ 파장의 근적외선을 동시에 방출하는 이중 발광 특성을 보였다. 적색 발광의 절대양자효율은 86%로, 장파장 발광 탄소 양자점 가운데 높은 수준으로 보고됐다.

연구팀은 근적외선 발광의 원리도 규명했다. 펨토초 단위의 과도 흡수 분광법과 이론적 시뮬레이션을 통해 적색 발광은 단일 형광체에서, 근적외선 발광은 형광체가 층층이 결합된 엑시머 구조에서 발생한다는 점을 확인했다.

이 탄소 양자점은 고효율과 광안정성을 바탕으로 디스플레이와 바이오 센서 분야에 활용될 가능성이 제시됐다. 연구팀은 이를 고분자 필름 형태로 제작해 LED 백라이트용 색 변환 필름 적용 가능성을 확인했으며, 필름은 높은 열적 안정성과 적색 표준 좌표에 근접한 색 특성을 보였다. 또한 750㎚ 대역의 근적외선 발광은 생체 투과율이 높아 바이오 이미징과 광센서 분야 활용 가능성도 제기됐다.

권우성 교수는 “고효율 적색·근적외선 탄소 소재를 빠르고 단순하게 합성하는 방법을 제시하고 발광 원리를 규명했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 나노·소재기술개발사업, 우수연구센터 사업, 삼성디스플레이의 차세대 탄소 양자점 발광체 개발 연구 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 2026년 530호에 게재됐다. 공동 제1저자로는 숙명여대 화공생명공학부 석사과정 서세정 학생이 참여했다.