임재훈(왼쪽) 성균관대 에너지과학과 교수와 최영호 석박사 통합과정.[성균관대학교 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 차세대 디스플레이 소재로 주목받는 양자점 발광체의 핵을 단 한 겹의 반도체 껍질로 균일하게 둘러싸서 100%에 가까운 발광효율을 구현하는 원리가 밝혀졌다. 양자점이란 수 나노미터(머리카락 두께의 약 1/10,000 수준) 크기의 반도체 나노결정으로 크기에 따라 발광 색상이 변하는 특성을 지니고 있어 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다.

한국연구재단은 성균고한대학교 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 밝혔다.

핵/껍질 구조의 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 리간드가 껍질 전구체와 반응해 껍질 원자들이 표면에 흡착되고 이들이 비정질 분자층 상태를 거쳐 결정질 껍질로 변화하는 전 과정을 분자 수준에서 밝혀냈다.

또한 분자층이 껍질로 변화하기 위해서는 고온의 열처리가 필요한데, 이 과정에서 껍질 전구체가 핵 표면을 산화시켜 껍질이 완전히 핵 표면을 덮는 것을 저해한다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이를 바탕으로 껍질 성장 과정을 정밀히 제어할 수 있는 ‘표면개시성장법’을 고안하고, 약 0.3 nm 두께의 초균일 껍질을 핵 표면에 성장시켜 이론적 한계치에 근접한 97.3%의 발광 효율을 구현하는데 성공했다.

임재훈 교수는 “이번 연구는 대한민국 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”고 말했다.

과학기술정통부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 1월 3일 게재됐다.