연구성과

화학 김성지 교수팀, 자연의 색 그대로 담는 퀀텀닷 비밀 풀렸다

2020-06-24 427

– POSTECH-연세대 공동 연구팀, QLED TV소재 친환경 양자점 생성 원리 밝혀
– 초미세 나노결정 진화 거듭할수록 양자점 구조에 가까워져

화학 김성지 교수팀 왼쪽부터 김성지교수, 권용주박사, 김동호교수(연세대), 오원주박사(연세대)

최근 자연의 색을 재현하는 차세대 디스플레이 기술 중 하나로 QLED가 주목받고 있다. QLED는 별도의 장치가 없어도 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수나노미터(1나노미터=10억 분의 1미터)의 반도체 결정인 양자점(quantum dot) 소자를 활용한 디스플레이를 뜻한다. 과연, QLED TV는 어떻게 자연의 색을 그대로 옮겨올 수 있을까?

화학과 김성지 교수, 권용주 박사 연구팀이 연세대(총장 서승환) 김동호 교수, 오주원 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 지금까지 알려지지 않았던 양자점 형성 과정의 비밀을 밝혔다.

양자점은 격자구조를 가지는 수 나노미터 크기의 반도체 결정이다. 반도체 결정이 수 나노미터 크기로 작아지면 ‘양자구속효과’*1에 의하여 독특한 광물리적 특성이 나타나며 양자점의 크기 또는 조성에 따라 가시광선, 적외선 영역 등에서 높은 효율로 빛을 낼 수 있다.

양자점 크기와 조성에 따른 발광 이미지

가시광선 영역에서 발광하는 친환경 양자점의 경우 기존 유기 염료보다 색 재현이 월등히 뛰어나 최근 삼성전자 QLED TV에 적용되는 등 차세대 디스플레이 무기 발광 소재로서 높은 산업적 응용 가치를 증명했다. 그러나 이러한 양자점 나노결정의 근본적 생성 원리에 대해서는 정확히 알려지지 않았다.

공동 연구팀은 양자점 형성 초기 단계에서 원자 수십 개 정도로 구성된 초미세 중간체를 분리하여 그 중간체들 사이의 변환을 규명하는 데 성공했다. 특히 인듐포스파이드(InP) 기반의 새로운 5종의 초미세 중간체를 분리하고, 그 중간체들 사이의 진화 관계를 규명했다.

양자점 성장 중간체로 형성되는 초미세 중간체들을 보여주는 에너지 모식도

연구 결과에 따르면, 진화 초기 단계의 초미세 중간체는 양자점의 결정구조와는 매우 다른 구조를 가지면서 오히려 분자체에 가까운 구조 특성을 보인다. 하지만 초기 단계에서 점차 진화된 중간체로 변환되어 갈수록 최종적으로 형성되는 양자점의 구조에 점점 더 가까운 구조를 가진 중간체들로 변환을 거듭한다.

김성지 교수는 “양자점의 초미세 중간체 규명 연구는 그동안 미지의 영역이었던 양자점 형성 메커니즘을 근본적으로 이해하는 데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”며 “첨단 기술에 활용될 수 있는 친환경 양자점 소재를 개발하는데 밑거름이 될 것으로 보인다”라고 말했다.

연세대 김동호 교수는 “초미세 중간체의 고유한 특성을 응용하면, 무기 소재의 새로운 전구체를 개발할 수 있다”며 “앞으로 디스플레이, 광전소자 개발 등에 폭넓게 적용될 수 있다”라고 덧붙였다.

한편, 이 연구 결과는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communication)’에 지난 6월 20일에 게재됐다.
 


1. 양자구속효과 (quantum confinement effect)
양자제한효과라고도 한다. 나노입자의 경우, 입자 공간 벽에 의해 전자가 불연속적인 에너지 상태를 형성하는 현상이다.