표면 개질된 탄소 나노입자 합성 및 발광 특성 제어 연구

Abstract

탄소 나노입자(carbon nanodots; C-dots)는 물에 잘 분산되고, 화학적 안정성과 간단하게 개질 가능한 점, 낮은 광 퇴색성, 높은 생체 적합성으로 인해 주목 받고있는 물질이다. 하지만 발광 원리가 명확히 밝혀지지 않은 상태이고, 이 때문에 C-dots의 합성에 대한 많은 연구가 이루어졌음에도 불구하고 아직까지는 응용이 제한적이다. 본 연구에서는 구연산(citric acid)과 요소(urea)를 이용하여 비교적 간단한 방법인 마이크로웨이브 오븐 (microwave oven) 합성법으로 표면 개질된 C-dots을 합성하였고, 발광(photoluminescent; PL) 효율의 향상을 이루었다. 요소 함량을 달리하여 합성한 각 각의 C-dots과 질산 은이 첨가된 에탄올 용액에 대한 물리적, 화학적 특성들을 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM), 푸리에 변환 적외 분광법(Fourier transform infrared spectroscopy; FT-IR), X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 사용하여 확인하였다. TEM 이미지로부터 질산 은이 첨가된 용액 내에 은 나노 입자가 형성된 것을 확인하였다. FT-IR의 측정으로 물에 분산된 C-dots 용액보다 에탄올에 분산된 C-dots 용액 내의 입자 표면에서 아미노 그룹의 밀도가 높게 나타나는 것을 확인하였다. 그리고 XPS 측정으로 urea 합성 비율이 높아짐에 따라 탄소 나노입자 표면의 아미노 그룹 밀도가 높아지는 것을 확인하였다. 표면 개질되어 표면의 아미노 그룹 밀도가 높은 탄소 나노입자에서 발광 효율이 높아지는 것을 알 수 있었다. 그리고 표면 개질된 탄소 나노입자를 고분자 박막으로 제작 시에는 탄소 나노입자 표면과 고분자 간의 작용에 의해 큰 발광 효율 상승을 볼 수 있었다. 이와 같이 표면 개질을 통해 발광 특성 제어가 가능한 탄소 나노입자는 다양한 광학 소자에 응용이 가능할 것으로 기대된다.