에너지과학과 임재훈 교수 연구팀, 단 한 겹의 반도체 껍질로 양자점 발광효율 100% 수준 달성

- 차세대 디스플레이 및 태양광·바이오센서 등 다양한 응용 기대

차세대 디스플레이 소재로 주목받는 양자점* 발광체의 핵을 단 한 겹의 반도체 껍질로 균일하게 둘러싸서 100%에 가까운 발광효율을 구현하는 원리가 우리 대학 연구진에 의해 확인되었다.

* 양자점 : 수 나노미터(머리카락 두께의 약 1/10,000 수준) 크기의 반도체 나노결정으로 크기에 따라 발광 색상이 변하는 특성을 지니고 있어 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있음.

에너지과학과 임재훈 교수(제1저자 최영호 대학원생) 연구팀은 핵/껍질 구조*의 양자점 발광체 합성 시 껍질이 표면으로부터 성장하는 원리를 규명하고, 약 0.3 나노미터(nm) 두께의 껍질을 성장시켜 97.3%의 발광효율을 달성했다고 밝혔다.

* 핵/껍질 구조 : 핵 표면을 다른 물질로 덮은 구조. 달걀 노른자가 흰자 중간에 있는 형태와 유사함.

핵/껍질 구조의 양자점 발광체는 이론상 한 겹(약 0.3 nm)의 껍질만으로도 100%의 발광 효율을 낼 수 있지만, 실제로는 껍질이 불균일하게 성장하기 때문에 수 나노미터 두께로 여러 겹 둘러싸야 가까스로 70-80%의 발광 효율을 얻을 수 있다.  

이처럼 낮은 효율은 핵과 껍질 사이의 결함 또는 핵이 완전히 덮이지 못했기 때문으로 추측되지만, 용액 내 반응의 복잡성으로 아직까지 문제의 원인이 정확히 밝혀지지 않았다.  

임 교수 연구팀은 양자점의 리간드*가 껍질 전구체**와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다.

* 리간드 : 나노입자의 표면에 결합한 분자로써 입자 간의 응집을 방지하고 용액 내 분산성을 부여함.

** 전구체 : 양자점 핵 및 껍질 구성원자를 포함하고 있는 반응 원재료. 대개 금속 이온과 유기화합물이 결합한 형태로 이루어짐.

또한 분자층이 껍질로 변화하기 위해서는 고온의 열처리가 필요한데, 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮는 것을 저해한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이상의 발견을 바탕으로 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 ‘표면개시성장법’을 고안하고, 약 0.3 nm 두께의 초균일 껍질을 핵 표면에 성장시켜 이론적 한계치에 근접한 97.3%의 발광 효율을 구현하는데 성공했다.

초균일 껍질로 고효율, 고안정성을 갖는 양자점 발광체는 증강/가상현실, 웨어러블 등 차세대 디스플레이뿐만 아니라 태양광, 바이오센서 등 다양한 분야에 응용이 가능할 전망이다.

임재훈 교수는 "이번 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 디스플레이 분야에서 차세대 양자점 디스플레이 실현에 기여할 수 있으리라 기대된다"라며 "앞으로 차세대 전계발광소자 기반 양자점 디스플레이로 구현하기 위한 양자점 대량 양산, 소자 구조 설계, 패터닝 공정 전반에 걸친 연구 개발이 필요하다"고 덧붙였다.  

과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 미래소재디스커버리사업, 기초연구실의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 지난달 3일 게재되었으며, 해당 저널의 '무기 및 물리화학' 및 '소재 과학과 화학' 분야에서 편집자가 선정한 주목할 상위 50개의 논문 중 하나로 소개되었다.

○ 관련 언론보도

 - 차세대 디스플레이 ‘양자점 발광체’ 효율 극대화할 기술 나왔다(조선비즈, 2월 16일)
 - 임재훈 교수·최영호 연구원 "퀀텀닷 발광 효율 높였다"(한국경제, 2월 16일)
 - 韓 연구진, ‘양자점’ 디스플레이 발광효율 97% 달성(헤럴드경제, 2월 16일)
 - 양자점 발광 효율 100% 구현 초균일 반도체 껍질 개발(동아사이언스, 2월 16일)