[충청뉴스 이성현 기자] 차세대 디스플레이 소재로 주목받는 양자점 발광체의 핵을 단 한 겹의 반도체 껍질로 균일하게 둘러싸 100%에 가까운 발광효율을 구현하는 원리가 국내 연구진에 의해 확인됐다.
한국연구재단은 성균관대 임재훈 교수 연구팀이 핵/껍질 구조의 양자점 발광체 합성 시 껍질이 표면으로부터 성장하는 원리를 규명하고 약 0.3 나노미터(nm) 두께의 껍질을 성장시켜 97.3%의 발광효율을 달성했다고 16일 밝혔다.
핵/껍질 구조(핵 표면을 다른 물질로 덮은 구조)의 양자점 발광체는 이론상 한 겹(약 0.3nm)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.
연구팀은 양자점의 리간드(나노입자의 표면에 결합한 분자)가 껍질 전구체(양자점 핵 및 껍질 구성원자를 포함하고 있는 반응 원재료)와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다.
또 분자층이 껍질로 변화하기 위해서는 고온의 열처리가 필요한데, 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮는 것을 저해한다는 사실을 확인했다.
연구팀은 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 ‘표면개시성장법’을 고안하고 약 0.3nm 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”며 “앞으로 차세대 전계발광소자 기반 양자점 디스플레이로 구현하기 위한 양자점 대량 양산, 소자 구조 설계, 패터닝 공정 전반에 걸친 연구 개발이 필요하다”고 설명했다.
