나노과학기술원 배완기‧황의헌 교수 연구팀,

III-V‧II-VI 이종전자가 핵‧껍질 구조 양자점에서의 계면 쌍극자 역할 규명

- 향후 III-V족 양자점의 다양한 응용을 위한 새로운 특성 제어 방향 제시

[사진] 연구진 사진(왼쪽부터 황의헌 교수, 신도윤 석사과정, 함동효 박사후연구원, 박정우 박사과정, 배완기 교수, 김영두 학부생)

양자점은 크기에 따라 밴드갭이 조절 가능한 나노반도체 소재로써, 디스플레이, 레이저, 태양광 집적기, 바이오마커 등의 응용 분야에 폭넓게 활용가능하다. 특히 양자점은 기존의 유기반도체 기반 전계발광소자(OLED) 보다 빼어난 색순도를 지녀, 차세대 디스플레이 소재로 큰 주목을 받고 있다.

성균관대학교(총장 신동렬) 나노과학기술원 배완기 교수(공동 제1저자 정병국 박사후 연구원, 장준혁 박사후 연구원, 함동효 박사후 연구원) 및 황의헌 교수 공동연구팀은 카이스트 이도창 교수 연구팀 및 삼성디스플레이와의 협업을 통해, 최근 학계 및 산업계에서 각광을 받고 있는 친환경 양자점 소재인 III-V/II-VI 양자점의 이종전자가 계면에 존재하는 계면 쌍극자가 양자점 소재의 광‧전기적 특성이 미치는 영향을 규명하였다. 연구진은 습식화학기법을 통하여 계면 쌍극자를 원자 수준에서 제어하여 양자점 소재의 광전기적 특성을 조절하였으며, 나아가 고효율 고안정성 디스플레이 소자를 구현할 수 있음을 보였다.

양자점의 광‧전기적 특성은 내부 전하의 분포 및 에너지 준위에 의해 결정되며, 이는 양자점 소재의 조성 및 크기에 의해 조절 가능하다. 소재 조성의 선택이 제한적인 친환경 양자점의 경우, 오직 크기 제어를 통하여 양자점의 특성 제어가 가능한 것으로 알려져 있었다. 연구진은 III-V/II-VI 핵/껍질 양자점 계면에 존재하는 계면 쌍극자가 양자점의 전하 분포 및 에너지 준위를 제어할 수 있는 새로운 조절 인자임을 최초로 확인하였다.

나아가 습식화학기법을 통하여 III-V족의 핵과 II-VI족의 껍질층의 계면을 정교하게 제어하여, 이종전자가 계면에서의 쌍극자 모멘트의 밀도를 조절하였다. 이를 통하여 양자점 소재 조성 및 크기 변화없이 양자점의 전기적 에너지 준위를 자유자재로 제어하였으며, 궁극적으로 양자점 기반 전계발광소자의 성능을 극대화할 수 있음을 보였다.

배완기 교수는 이번 연구 결과의 가치에 대하여 “친환경 양자점 소재의 광‧전기적 특성을 최종 사용 목적에 맞춤 제작 가능한 새로운 화학적 기법을 제공한다”면서 “향후 광학소자, 나노바이오 분야에 친환경 양자점 소재의 산업적 적용을 촉진할 것이다”라고 평가하였으며, 황의헌 교수는 “양자점의 에너지 준위를 조성 및 크기로만 조절 가능하다는 기존의 개념을 넘어 핵‧껍질 계면에서 발생하는 ‘전기 쌍극자’도 에너지 준위를 조절할 수 있는 중요한 요소임을 처음으로 보고한 점에 의미가 있다. 이는 제한적인 친환경 소재로 다양한 에너지 준위를 갖는 양자점 합성에 활용할 수 있다”라고 설명하였다.

본 연구는 한국연구재단 (함께달리기, 소재융합혁신, 중견연구, 나노미래소재원천기술개발사업), 삼성디스플레이 및 ETRI의 기본사업의 지원으로 이루어졌으며, 재료 분야 최상위 학술지인 “Nature Materials” (Impact Factor: 43.841)에 현지시간 11월 18일(목) 온라인 게재되었다.

※논문명 : Interface polarization in heterovalent core/shell nanocrystals