비정질 (amorphous) 형태의 탄소 입자로 이루어진 나노 물질인 탄소양자점(Carbon quantum dot, CQD)은 그래핀, 풀러렌, 나노튜브 등과는 구별되는 새로운 형태의 탄소형 나노 물질로, 높은 안전/안정성, 친환경적 특성, 생체친화성, 높은 용해성, 쉬운 합성 등의 특징을 가져 기존의 양자점을 대체하여 광촉매, 전기 촉매, 검출, 바이오 이미징, 약물 전달 등 다양한 분야에서 효과적으로 적용될 수 있는 물질로 각광받고 있다.
다양한 활용 분야 중, 탄소양자점을 가시광선에 반응하여 병원성 미생물을 살균할 수 있는 광촉매로 활용한다면 태양광, 실내등과 같은 지속 가능한 에너지를 활용하여 미생물을 살균할 수 있다는 점에서 미래에 매우 유용한 살균물질로 활용될 수 있다.
탄소양자점은 탄소를 가지는 모든 유기물질로 합성될 수 있다는 특징 덕분에 가공 후 버려지는 식품 부산물을 탄소양자점으로 합성 재료로 활용할 수 있어, 식품 부산물을 활용하여 탄소양자점을 합성하면 경제적인 측면에서 장점을 가질 수 있을 뿐 아니라 부산물에 의한 환경 문제의 해결에도 도움이 될 수 있다.
한편, 탄소양자점이 합성될 때 탄소 외에 다른 원자가 섞이는 도핑(Doping)에 의해서 그 특성이 변화한다고 알려져 있다. 그리고 식품 부산물에는 탄소 외에도 아미노산 내에 질소(Nitrogen)와 황(sulfur)이 존재한다. 연구진은 식품 부산물 내의 아미노산 종류에 따라서 도핑의 형태가 다양해지기 때문에 식품 부산물 종류에 따라서 합성되는 탄소양자점의 특성이 변화한다는 점에 주목하였다. 현재까지 식품 부산물을 이용하여 다양한 탄소양자점을 합성하는 연구는 많이 시도되어 왔지만, 합성 재료인 식품 부산물을 선정하는데 특별한 기준은 존재하지 않았다. 따라서, 아미노산 내의 질소와 황이 도핑되는 형태에 따른 탄소양자점의 특성을 살펴봄으로써 최적의 식품 부산물을 선정하는데 있어 중요한 기준을 확립할 수 있다.
본 연구에서는 아미노산의 질소와 황의 도핑이 탄소양자점의 가시광선 감응 병원성 미생물 제어 효과를 증진시키는 것을 확인할 수 있었으며, 이때 황의 비율이 감소할수록 그 효과가 더 커지는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 탄소양자점을 합성하기 위한 식품 부산물을 선정할 때에 아미노산의 함량이 많아 도핑 효과적으로 이루어지지만 황을 포함하는 아미노산의 비율이 적은 식품 부산물을 선정해야 된다는 실험적 근거를 제시하였다는 점에서 의의가 있다.
또한, 밴드갭 에너지, 광촉매 메커니즘, 양자수득률, 비표면적, 형광 수명이 탄소양자점의 광촉매 살균 활성과 관련 있는 인자라는 것을 규명하였다.
이 연구는 한국연구재단의 박사후국내연수 및 중견핵심 사업에서 지원을 받아 수행되었으며 연구결과는 화학공학 분야 상위 2.4% 국제학술지인 케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal, IF: 10.652)에 게재되었다.