SAINT 배완기 교수 연구팀, 미래형 차세대 디스플레이 상용화 앞당길 양자점 기술 개발

- 핵심 발광 소재인 I-III-VI₂족 코어-쉘 친환경 양자점 소재 합성법 개발

- VR, AR 등 차세대 디스플레이 개발에 활용될 것으로 기대

성균나노과학기술원 배완기 교수 연구팀은 미래형 디스플레이 구현을 위한 핵심 발광 소재인 I-III-VI₂족 코어-쉘 친환경 양자점* 기술을 개발했다.

  * 양자점: 나노미터 크기의 반도체 나노 입자로서, 빼어난 색순도와 높은 효율을 지니는 미래형 디스플레이 핵심 소재

양자점은 빼어난 색 재현율과 높은 광효율을 가지고 있으며 용액 공정이 가능하다는 특성으로 가상현실 또는 증강현실 디스플레이와 같은 미래형 디스플레이 구현을 위한 핵심 발광 소재로써 주목받고 있다. 특히 I-III-VI₂족 양자점은 크기와 조성을 조절하여 광학 특성을 제어할 수 있으며 높은 흡광도를 가져 차세대 친환경 소재로서 각광받았다.

하지만 I‑III‑VI₂족 양자점은 적합한 쉘 물질 조성의 한계로 에피택시(epitaxy)* 성장이 어렵고 원소 간 반응성 차이에 의해 높은 광효율을 가지는 양자점 합성에 어려움이 있었다. 이에 연구진은 신규 전구체*를 도입해 I-III-VI_2-­족 코어 위에 I-III-VI₂족 쉘을 에피택시 성장시켜 높은 광효율을 가지는 I-III-VI_2-­/I-III-VI₂족 양자점 소재 합성을 최초로 개발하였다. 또한 습식화학*기법을 통해 코어 물질의 조성을 정교하게 조절하여, 가시광선 전 범위에서 높은 광효율을 구현하였다.

  * 에피택시: 하나의 결정체에 규칙적으로 바르게 배열된 결정이 성장하는 현상

  * 전구체: 다른 화합물을 생성하는 화학 반응에 참여하는 화합물

  * 습식화학: 비색법, 중량 측정법, 적정 분석법 등의 방법을 사용하여 액체 시료의 원소 및 화합물을 분석하는 실험 방법

연구팀은 나아가 태양광 집속기* 소자를 통해 기존 II-VI족, III-V족 양자점 소재 대비 I-III-VI_2­-양자점 소재의 높은 흡광도에 따른 우수성을 입증하여 궁극적으로 I-III-VI_2­-­족 친환경 양자점 소재의 실용화를 가시화하였다.

  * 태양광 집속기: 태양광 에너지를 집중시켜 태양광 전지판에 도달하는 에너지를 증가시키는 장치로 태양광 전지판이 더 많은 태양광 에너지를 수집하고 전기로 변환할 수 있다.

배완기 교수는 이번 연구에 대해 "소재 조성의 선택이 제한적인 친환경 양자점에서 I-III-VI_2-­/I-III-VI₂족 신규 양자점 조성 물질의 구현을 처음으로 보고한 점에서 의미가 있다"고 평가하였고 박지상 교수는 "기존의 연구되었던 II-VI족, III-V족 양자점 대비 I-III-VI₂족 양자점의 우수한 광특성을 실험적으로 입증한 최초의 사례"라고 이번 연구를 평가하였다. 또한 황의헌 교수는 "더 적은 소재로 동일한 광학 성능을 구현할 수 있어 QD-OLED, VR, AR 등 차세대 디스플레이 개발을 촉진할 것"이라고 설명했다.

연구팀의 이번 연구성과는 종합 과학 분야 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 17.694)에 6월 24일(토) 온라인 게재되었다. 이번 연구는 한국연구재단(함께달리기), 삼성디스플레이, 삼성전자 기본사업의 지원으로 이루어졌다.

※ 논문명: Coherent heteroepitaxial growth of I-III-VI₂ Ag(In,Ga)S2 colloidal nanocrystals with near-unity quantum yield for use in luminescent solar concentrators

※ 저널: 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)

※ 저자명: 배완기 교수(교신저자, 성균관대학교), 장준혁 박사(교신저자, 시카고대학교), 송형준 교수(교신저자, 서울과학기술대학교), 이학준(제1저자, 서울대학교 석박통합과정), 임성빈(제1저자, 성균관대학교 석박통합과정), 정동주(제1저자, 성균관대학교 석박통합과정), 황의헌(공동저자, 성균관대학교 교수), 박지상(공동저자, 성균관대학교 교수)