탄소양자점(CDs)은 지난 수십 년간 높은 광안정성, 상대적으로 낮은 독성 및 뛰어난 생체적합성을 포함한 광학 특성 때문에 발광 입자로서 집중적으로 연구되어 왔으며, 수많은 응용 분야에서 탁월한 잠재력을 보여주고 있다. 그러나 구조적 불안정성으로 인한 발광(PL) 소광 경향은 지속적으로 해결해야 하는 과제이다. 이를 위해 가시광선 범위 내에서 탄소양자점의 안정적인 구조를 얻는 것을 목표로 표면 개질과 헤테로원자의 화학적 도핑 효과에 대한 많은 연구가 수행되고 있다.
본 논문에서는 폐토너 분말을 전구체로 이용한 탄소양자점의 합성 방법을 제시한다. 에탄올아민을 첨가제로 하여 탄소양자점을 합성하는 재활용 공정을 통해 폐토너 분말의 카본블랙(carbon black)을 탄소양자점으로 효과적으로 분해하면서, 이와 동시에 탄소양자점의 표면을 보호한다. 결과적으로 분산성이 우수하고 균일한 크기의 탄소양자점이 합성되었으며, UV 영역대의 빛과 상호작용하여 UV 및 가시광선 범위에서 강한 발광 현상을 보인다. 이는 표면에 에탄올아민이 결합하면서 질소 원자를 함유하게 되어 비롯된 것임을 결론 내릴 수 있었다. 또한 이러한 탄소양자점의 발광 및 활성산소종(ROS) 생성은 체외 영상 및 광역학 치료 소재로의 응용 가능성을 보여준다.
탄소양자점은 일반적으로 넓은 반치폭을 가지면서 파란색에서 녹색 사이에서의 발광 형태를 보인다. 본 연구에서는 헤테로원자인 아미노퀴놀린의 탄화반응을 이용하여 발광 반치폭이 좁고 색순도가 높은 탄소양자점을 합성하였다. 가시광선 영역의 발광 분석 및 형광 시분해 측정을 통해 탄소양자점의 에너지 상태의 특성을 분석한 결과 질소 및 산소 도입으로 인해 에너지 구조가 변화하여 형광 파장이 520 nm 주변에 집중되는 현상을 확인했다. 탄소양자점의 에너지 상태를 엔지니어링한 결과들은 높은 색순도와 탁월한 녹색 빛을 보여 광학 디바이스 소재로서의 잠재력을 밝혀내었으며 적용 과정에서 상당한 개선을 가져올 예정이다.