UNIST 신현석 교수팀, 그래핀이 디스플레이 소자 광원으로 사용 입증

차세대 전자소재로 주목받고 있는 그래핀이 발광소재로 활용하는 데는 어려움이 있었는데, 국내 연구진이 그래핀이 디스플레이 소자 광원으로 사용할 수있다는 것을 입증해 화제가 되고 있다. 

울산과학기술원(UNIST) 화학과의 신현석 교수 연구팀은 그래핀과 '화이트 그래핀'으로 불리는 육방정계 질화붕소 경계면에서 청색 발광 현상을 최초로 발견했다고 27일 밝혔다. 

연구팀은 '그래핀 퀀텀닷'을 이용한 유연 발광소자 제작에도 성공해 그래핀의 디스플레이 광원으로써의 잠재력을 선보였다. 

또 경계면의 밀도인 발광 강도를 높이기 위해 20nm 이하의 그래핀이 배열된 질화붕소 막을 쌓는 방식을 사용했다. 

연구팀에 따르면 그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 이어진 얇은 막이다.

얇지만 강하고 유연하며, 열전기 전도도까지 높아 꿈의 물질로 불리는 그래핀에 대한 연구가 활발하지만, 그래핀이 색상을 구현하는 디스플레이 소자 발광물질로 연구된 적은 드물다. 

이런 이유는 그래핀이 금속처럼 에너지 띠 틈(energy bandgap)이 없다는 독특한 물리적 특성이 있기 때문이라고 한다. 

에너지 띠 틈 크기가 물질이 내는 빛 색깔을 결정하는데 그래핀은 에너지 띠 틈이 아예 없다는 것이다. 

신 교수 연구팀은 그래핀과 육방정계 질화붕소 계면에서 푸른빛이 나오는 현상을 발견하고 이를 응용한 발광소자(광원)을 제작했다고 설명했다.

그래핀과 육방정계 질화붕소도 유연한 소재라 접히거나 굽혀지는 디스플레이 소자를 만들 수 있다. 

김광우 박사(제1저자)는 "그동안 이론적으로만 존재 가능성이 접쳐졌던 두 물질 계면의 발광 현상을 처음으로 발견했다"며 "유사한 결정 구조를 갖는 그래핀과 육방정계 질화붕소로 이루어진 2차원 물질 복합체를 제조할 수 있는 기술을 보유하고 있었던 덕분"이라고 말했다. 

발광현상의 원인도 찾아낸 연구팀은 원래 반듯한 육각형 모양이던 두 물질의 구조가 경계면에서 5각형, 7각형 모양으로 바귄 전자현미경 관찰 결과를 토대로 물질내 전자의 에너지를 분석했다. 

그 결과 연구팀은 전자가 경계면에 집중되면서 새로운 에너지 준위가 만들어진 것이 발광 현상의 원인이라는 결론을 얻어냈다고 설명했다. 

신현석 교수는 "이 연구는 전도체인 그래핀과 부도체인 질화붕소의 계면이 광원소재로 활용될 수 있음을 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "이러한 2차원 복합체 기반의 광센서나 LED와 같은 광전자소자를 구현함으로써 유연 디스플레이 산업 발전에 크게 기여할 연구"라고 기대했다. 

이번 연구는 KAIST 전석우 교수, 서울대 손병혁 교수팀이 참여했으며, 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 논문명 'Blue Emission at Atomically Sharp 1D Heterojunctions between Graphene and h-BN'으로 10월 23일자로 온라인 공개됐다. 

포인트경제 김지연 기자