■ 버려지는 쌀겨로 친환경 퀀텀닷 LED 만들었다.

■ 버려지는 쌀겨로 친환경 퀀텀닷 LED 만들었다.

 

쌀 껍질로 퀀텀닷(QD. 양자점) 발광 다이오드(LED) 조명을 만드는 방법이 세계에서 처음으로 개발됐다. 가장 효율 높은 퀀텀닷에 들어가는 카드뮴과 납 등 환경 유해 물질을 대체할 친환경 소재로 기대된다. 일본 히로시마대 화학과 연구팀은 2022년 04월 11일 쌀겨에서 실리카를 추출해 실리콘 퀀텀닷 LED 조명을 개발했다고 밝혔다.

퀀텀닷은 수 나노미터(㎚·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 아주 작은 입자를 뜻한다. 크기가 매우 작아 같은 물질이어도 입자 크기 차이에 따라 다른 색을 발하는 양자역학적 특성이 나타난다. 가령 금은 덩어리면 노란색이지만, 크기가 7㎚로 작아지면 빨간색, 5㎚면 초록색, 3㎚면 파란색을 띤다.

 

퀀텀닷은 이렇게 크기가 매우 작지만, 하나의 물질로 여러 색을 구현할 수 있고, 이를 활용하는 장치의 두께도 매우 얇아 차세대 소재로 주목받고 있다. 하지만, 흔히 퀀텀닷 소재로 사용되는 카드뮴, 납 등은 발광 효율이 높다. 하지만, 중금속이라 환경에 유해하여 친환경 소재를 발굴하려는 노력이 이어지고 있다.  

연구팀은 쌀겨에서 고순도의 실리카(SiO2)를 추출할 수 있다는 사실을 알아냈다.  쌀겨는 해마다 전세계적으로 1억t 이상 발생하지만, 활용할 방법이 없어 버리는 농업 폐기물이다. 실리카를 가공해 얻을 수 있는 실리콘(Si)은 크기가 매우 작아졌을 때 발광하는 특성이 있다. 연구팀은 실리카의 중량 비중이 20%인 쌀겨를 갈고, 유기화합물을 연소시켜 실리카 분말을 추출했다. 그다음 실리카 분말을 전기로에서 가열해 실리콘 분말을 얻었다. 다시 이 실리콘 분말을 화학 물질로 깎아내(식각) 3㎚의 미세한 가루로 정제했다. 쌀겨에서 최초 실리카를 추출한 수율은 100%였으며, 그 뒤, 실리콘 추출율은 86% 수준이었다.

 

연구팀은 마지막 화학 처리를 통해 입자의 안정성을 강화했다. 입자의 크기가 매우 작으면 불안정해지기 때문이다. 그 결과 3㎚의 실리콘 퀀텀닷 입자가 주황색과 빨간색 사이의 색을 내는 것이 확인됐다. 파장으로는 680㎚ 대역이다. 전기를 빛으로 변환하는 발광 효율은 21%로 높은 수준이었다.

 

연구팀은 개발한 실리콘 퀀텀닷으로 LED 조명을 만들었다. 바닥에는 인듐 주석 산화물(ITO)로 만든 매우 얇은 층을 깔았다. 인듐 주석 산화물(ITO)은 매우 얇을 때 전기가 통하는 동시에 투명해서 디스플레이의 양극 소재로 흔히 사용된다. 그 위에는 실리콘 퀀텀닷을 깔았다. 퀀텀닷은 콜로이드 용액 형태로 만든 뒤, 기계 장치 제조 시 용액을 부어 결정화시키는 방식으로 사용된다. 마지막으로 그 위에 음극 역할을 할 알루미늄 필름을 덮어 LED 조명을 완성했다.

 

사이토 켄이치 일본 히로시마대 화학과 교수는 “버리는 쌀겨로 만든 최초의 LED”라며 “퀀텀닷 소재에 대한 매력적인 대안이 될 것”이라고 말했다. 연구팀은 빨간색 계열 외 다른 색을 내는 퀀텀닷 입자도 개발할 예정이다. 디스플레이에 사용되기 위해서는 빨간색 말고도 초록색과 파란색 등 삼원색을 갖춰야 한다. 다만 초록색과 파란색을 내기 위해서는 퀀텀닷 입자 크기가 더 작아야 한다. 입자가 작을수록 불안정해져서 개발 난도가 더 높다. 퀀텀닷을 안정화 시키는 마지막 화학처리 단계가 관건이 될 것으로 보인다. 연구 결과는 미국화학학회에서 발간하는 국제 학술지 ‘ACS 지속가능한 화학 및 공학’ 2022년 01월 28일 게재됐다.