"열·빛·산소 등 외부 요인들로부터 매우 안정…차세대 디스플레이 활용 가능"

배완기 KIST 박사.<사진=KIST제공>
배완기 KIST 박사.<사진=KIST제공>
국내 연구진이 100%에 가까운 발광효율로 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용 가능한 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 배완기 광전하이브리드연구센터 박사팀이 '구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)'라 불리는 새로운 구조의 양자 광소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

이번 연구는 이도창 KAIST 교수, 조진한 고려대학교 교수, 차국헌 서울대학교 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행됐다.

이 광소재는 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재다.

기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인해 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 '핵·껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체'를 형성해 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행돼 왔다.

하지만 일반적인 핵·껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반해 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다.

배완기 박사팀은 기존의 한계를 극복하기 위해 씨앗·양자우물층·껍질로 이루어진 '구형양자우물구조 광소재'를 고안했다. 이 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태를 가져 이종접합층간의 격자결맞춤이 유도되어 껍질층의 두께가 증가해도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 

연구팀 관계자는 "새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵·껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다"고 설명했다.

연구팀에 따르면 개발한 광소재는 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵·껍질)의 문제점이었던 깜빡임을 거의 지니지 않음을 확인했다. 

배완기 박사는 "이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지닌다"며 "열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것"으로 기대했다. 

연구결과는 미국 화학회 저널인 'ACS Nano'에 게재됐다.

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