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- 일반적인 양자점은 카드뮴, 납 또는 기타 중금속과 같은 독성 물질을 기반으로 한다.
- 전 세계적으로 1억 톤이 생산되는 식물 폐기물 쌀 껍질에서 찾고 있던 것을 발견
- 쌀알의 껍질 벗기고, 유기 성분을 태우고 규산염 추출해 껍질에서 이산화규소 추출
- 개발한 추출 방법은 사탕수수 폐기물, 곡물 또는 풀을 포함한 다른 천연 물질에서 이산화규소 추출하는 데에도 사용가능

왕겨로 만든 QLED
왕겨의 실리콘은 친환경 발광 다이오드를 위한 양자점을 제공한다.

혁신적인 초연:
연구원들은 처음으로 쌀 알갱이 껍질에서 생물학적 폐기물의 주요 구성 요소가 되는 발광 다이오드를 생산했다. 이 껍질에는 실리콘 양자점으로 쉽게 변환될 수 있는 이산화규소가 포함돼 있다. 전극과 함께 이러한 무독성 지속 가능하게 생성된 양자점은 주황색-적색 LED의 구성 요소를 형성한다. 다른 생체 재료도 이런 방식으로 사용될 수 있다고 팀은 말했다. 

▲ 왕겨는 양자점 LED용 실리콘을 제공할 수 있다. © ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022, 10, 1765-1776

많은 현대 발광 다이오드(LED)는 전류에 의해 들떠 빛을 방출하는 반도체 재료로 만들어졌다. 이 과정 중 나노미터 크기의 원자 축적인 양자점에서 광도와 색상을 얻는다. 방출된 빛은 좁은 파장 범위만 다루기 때문에 이러한 양자점 LED(QLED)의 색상은 기존 LED보다 더 강렬하고 선명하게 정의된다. 양자점 LED는 양자 물리학에서 단일 광자 소스로도 사용할 수 있다.

규소 공급원은 왕겨

문제는 다음과 같다. "일반적인 양자점은 카드뮴, 납 또는 기타 중금속과 같은 독성 물질을 기반으로 하며 이는 환경 문제와도 관련이 있다"고 Hiroshima University의 Ken-ichi Saitow가 설명했다. 따라서 그의 팀은 보다 환경 친화적이고 지속 가능한 재료, 바람직하게는 자연적으로 반도체 재료 실리콘을 포함한 재료로 양자점을 만드는 방법을 찾고 있다.

연구팀은 매년 전 세계적으로 1억 톤이 생산되는 식물 폐기물에서 찾고 있던 것을 발견했다. 바로 쌀 껍질이다. 쌀 생산 중에 이 껍질은 제거되고 사용되지 않은 채로 남아 있다. 그러나 생체 물질은 사용 가능한 다공성 실리콘으로 쉽게 변환될 수 있는 이산화규소 형태의 실리콘을 포함하고 있어 사이토우(Saitow)와 그의 동료들이 설명하는 것처럼 양자점에 적합한 물질로 변환할 수 있다.

껍질 파편에서 양자점까지

쌀 양자점의 경우 먼저 쌀알의 껍질을 벗기고 유기 성분을 태우고 규산염을 추출하여 껍질에서 이산화규소를 추출했다. 그런 다음 생성된 실리카 분말을 환원 조건에서 전기로에서 가열하여 실리콘을 생산했다. "추출물의 수율은 왕겨에서 나온 이산화규소의 약 100%와 실리콘의 86%였다"고 Saitow와 그의 동료들은 보고했다. 

▲ 벼에서 발광하는 실리콘 양자점으로 가는 과정. © ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2022, 10, 1765-1776

그런 다음 생성된 실리콘 분말은 화학적 에칭에 의해 단 3나노미터의 입자 크기로 감소되었고 실리콘 결정의 표면은 용매로 부동태화됐다. 이것은 더 이상 바람직하지 않은 화학 반응을 방지한다. 결과는 실리콘 양자점으로 적합한 작은 결정질 반도체 입자였다. "실리콘 양자점의 콜로이드 용액은 680 나노미터의 파장과 21%의 양자 효율을 갖는 주황색-적색 광발광을 나타낸다"고 연구팀은 밝혔다.

완성된 QLED로

마지막 단계에서 연구원들은 왕겨 과립에서 양자점 LED를 구성했다. 이를 위해 양극으로 ITO(인듐 주석 산화물) 유리 기판을 사용하고 음극으로 알루미늄 층을 사용했다. 실리콘 양자점 층을 포함해 둘 사이에 다른 재료의 여러 층이 적용되었다. 결과는 주황색-빨간색 빛을 방출하는 발광 다이오드다.

"사용하지 않은 왕겨에서 LED가 개발된 것은 이번이 처음이다"고 사이토브는 말했다. 이 프로세스는 기존의 양자점 생산에 대한 환경 친화적이고 지속 가능한 대안을 만든다. "이 방법은 다른 화학 공정과 마찬가지로 미래에 대규모로 구현될 수도 있다"고 연구원은 말했다. 그와 그의 팀은 이미 다른 밝은 색상에 대한 양자점을 생성하는 작업을 하고 있다.

연구원들에 따르면, 그들이 개발한 추출 방법은 사탕수수 폐기물, 곡물 또는 풀을 포함한 다른 천연 물질에서 이산화규소를 추출하는 데에도 사용될 수 있다.
(ACS 지속 가능한 화학 및 공학, 2022, doi: 10.1021/acssuschemeng.1c04985)
출처: 히로시마 대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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