0.3나노 한겹 반도체 껍질로 양자점 발광효율 100% 수준 달성

성대 연구팀, "차세대 디스플레이, 태양광·바이오센서 등 다양한 응용 기대"

차세대 디스플레이 소재로 주목받는 양자점 발광체의 핵을 단 한 겹의 반도체 껍질로 균일하게 둘러싸 100%에 가까운 발광효율을 구현할 수 있게 됐다. 

한국연구재단(이사장 이광복)은 임재훈 성균관대 교수 연구팀이 핵과 껍질로 구성된 구조의 양자점 발광체를 합성할 때 껍질이 표면에서 성장하는 원리를 규명했다고 16일 밝혔다. 또 이를 기반으로 약 0.3㎚ 두께의 껍질을 성장시켜 97.3%의 발광 효율을 달성했다.

핵-껍질 구조의 양자점 발광체는 이론상 0.3㎚ 두께의 껍질 한 겹만으로도 100%의 발광 효율을 낼 수 있다. 하지만 실제로는 껍질이 불균일하게 성장하기 때문에 수 나노미터 두께로 여러 겹 둘러싸야 가까스로 70-80%의 발광 효율을 얻을 수 있다.

핵과 껍질 사이의 결함 또는 핵이 완전히 덮이지 못해 효율이 떨어지는 것으로 추측되지만, 용액 내 반응이 복잡해 아직 문제의 원인이 정확히 밝혀지지 않았다.

껍질 성장의 화학적 과정과 기작 분석 (자료=성균관대)

성균관대 연구팀은 양자점의 리간드가 껍질 전구체와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다. 분자층이 껍질로 변화하려면 고온의 열처리를 해야 하는데, 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮지 못 하게 한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이를 바탕으로 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 '표면개시성장법'을 고안, 약 0.3㎚ 두께의 초균일 껍질을 핵 표면에 성장시켜 이론적 한계치에 근접한 97.3%의 발광 효율을 구현했다.

초균일 껍질로 높은 효율과 안정성을 확보한 양자점 발광체는 증강·가상현실, 웨어러블 등 차세대 디스플레이뿐만 아니라 태양광이나 바이오센서 등 다양한 분야에 응용 가능하다.

임재훈 교수는 "이번 연구는 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"라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 미래소재디스커버리사업, 기초연구실의 지원으로 수행됐으며, 학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 최근 실렸다.