양자점(양자점, Quantum Dot)은 수나노 미터 크기의 구형 반도체 나노입자로 크기에 따라 발광 파장의 조절이 가능하고 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 인해 차세대 디스플레이 및 조명용 소재로 각광받고 있다.
특히, 최근 삼성전자에서 SUHD라는 브랜드로 양자점을 활용한 디스플레이를 시장에 출시하면서 수많은 전자 및 소재 업체들이 양자점에 많은 관심을 보이고 있다. 양자점 소재는 광원 혹은 전기적 에너지를 통해 발광하는 소재로서 나노미터 단위의 크기로 인해 내부 구조 및 표면 상태에 따라 그 특성차이가 매우 크다.
기존의 연구에서는 핵·껍질 구조의 이종나노구조(Heterostructure)를 형성하여 표면 결함의 영향을 억제하는데 주력해왔으나 안정성이 뛰어나고 양자점간의 에너지 전달현상을 줄이기에 용이한 두꺼운 껍질을 갖는 구조에서는 핵과 껍질의 서로 다른 격자 구조를 갖는 물질의 계면에서 발생하는 내부 결함으로 인해 발광 특성이 떨어진다는 단점을 가지고 있어 차세대 디스플레이·조명 소재로의 활용에 제약이 있었다.
최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다.
KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(그림 3 참조)이다.
또한 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다.
연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다.
연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다.
KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다.
본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국연구재단 등과 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 지난 10월 25일 게재되었다.
(논문명) Colloidal Spherical Quantum Wells with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Suppressed Blinking
