광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발- 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발- 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발

 

연구팀 광전하이브리드연구센터

 

 

 

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발

- 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발
- 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재
 
퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 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.

기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다.

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 1 참조)로써, 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) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다.

* (논문명) Colloidal Spherical Quantum Wells with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Suppressed Blinking
     - (제 1저자) 한국과학기술원 (KAIST) 정병국 박사과정
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 (KIST) 배완기 박사,
                  한국과학기술원 (KAIST) 이도창 교수,
                  University of California at Los Angeles  Philip Park 박사

 

          (제1저자) 정병국 박사과정          (교신저자)배완기 박사

[붙임] 연구결과 개요, 그림 설명, 연구진 이력사항

연 구 결 과  개 요

1.연구배경
  양자점은 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 이종나노구조를 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 있다.

2. 연구내용
  본 연구에서는 이러한 내부 결함의 형성을 막기 위해, 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 발광층을 적층하고 다시 두꺼운 껍질로 이를 둘러싸는 구형양자우물구조(Spherical Quantum Well)를 개발하여 표면 및 내부 결함 발생을 억제하는 구조의 고효율 양자 광소재를 개발하였다. 개발된 양자껍질구조체가 용액상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라 기존 양자점의 문제점이였던 깜빡임현상(Blinking) 또한 획기적으로 감소하였다는 것 또한 밝혀냈다. 본 연구에서는 격자결맞춤구조(Coherently strained lattices)로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 또한, 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있고 이러한 변화와 상관없이 우수한 발광 특성이 유지되는 것을 확인하였다.
  두꺼운 껍질을 갖는 새로운 양자 광소재는 기존의 양자점 구조에 비해 고농도의 용액상 혹은 고집적 필름상에서도 우수한 발광 효율을 보인다. 이는 우수한 발광효율(>60%)를 가지고 있을 뿐만 아니라, 200℃의 고온에서 2시간 이상을 두어도 초기 발광효율을 유지할 정도로 안정된 결과(*그림 3 참조)를 나타냈다. 이는 두꺼운 껍질과 높은 발광효율로 인해 양자점간의 에너지 전달 현상이 감소하였고 외부의 환경 변화에 상관없이 결함 발생이 줄어들어 안정적으로 발광할 수 있는 구조이기 때문이다.

3. 기대효과
 이번에 개발된 양자 광소재는 용액공정이 가능하고 다양한 고분자 및 유기물과 섞어 필름형태로 성형이 가능하여 디스플레이용 소재로의 상용화에도 매우 유리한 장점이 있다. 따라서 이를 활용하면 차세대 디스플레이용 발광소재로 사용될 양자점 소재의 국산화로 전세계 발광소재 시장의 선도적 지위를 자리매김할 수 있을 것이라 전망된다.

그 림 설 명

<그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성
a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프

  <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과
구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. 

<그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가
200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

배완기 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 배완기
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 국가기술기반연구본부
            광전하이브리드연구센터
 
 
2. 주요경력사항 
○ 2009～2010 서울대학교 전기컴퓨터공학부 박사후 연구원
○ 2010～2013 미국 Los Alamos National Laboratory, 박사후 연구원
○ 2013～현재 한국과학기술연구원 선임연구원

3. 전문분야  
  반도체 양자점 합성 및 광특성 분석, 반도체 양자점 기반의 전기/광변환 발광소자, 반도체 양자점 기반의 태양전지/광감응 소자, 반도체 양자점-고분자 복합체 개발 연구