초미세 팁으로 고압력 가해 양자점 빛의 밝기와 파장 조절
UNIST 물리학과 박경덕 교수와 성균관대 에너지과학과 정소희 교수 공동연구
자체개발기술로 압력 가하면서 광 특성 분석·디스플레이 개발 응용... ACS Nano 게재
국내 대학 공동 연구진이 디스플레이와 태양전지 분야 성능을 발전시키는 데 기여할 단일 양자점 밝기와 색깔을 조절하는 새로운 기술을 개발했다.
양자점(quantum dot)은 수 나노미터 수준으로 작은 반도체 입자로 입자의 크기에 따라 양자점이 광발출하는 색상이 달라진다. TV와 같은 디스플레이 소자에 쓰는 양자점의 입자 하나를 초미세 탐침으로 눌러 밝기와 색깔(파장)을 조절하는 방식을 울산과학기술원(UNIST) 물리학과 박경덕 교수와 성균관대 에너지과학과 정소희 교수 공동연구팀이 최초 개발했다고 3일 밝혔다.
이는 매우 얇고 소비전력이 낮은 양자점 TV와 같은 차세대 양자점 디스플레이 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대되고 있다. 연구팀에 따르면 능동형 탐침증강 광발광 나노현미경의 탐침으로 페로브스카이트 양자점에 높은 압력을 가해 구조적 변형을 유도함으로써 양자점 빛의 밝기와 파장을 바꾸는 기술을 사용했다.
이 기술은 양자점의 밝기를 10만 배 이상 밝게 만들 수 있어 초고휘도 밝기의 디스플레이에 응용이 가능하다. 양자점은 스스로 특정 색의 빛을 낼 수 있어 빛을 쏴주는 백라이트나 컬러필터가 필요 없는 얇고 가벼운 TV나 휴대폰 화면을 만들 수 있지만 일단 양자점이 합성된 이후는 그 밝기와 색깔 등의 발광 특성을 조절하기는 매우 어려워 그동안 응용 소자 개발에 제약이 있었다.
탐침증강 광발광 나노현미경(tip-enhanced photoluminescence spectroscopy)은 플라스몬 현상에 의해 금으로 제작된 탐침 끝에서 빛의 나노 광학 안테나 효과가 일어나며, 이를 이용해 시료의 광발광을 증강시키는 방식의 나노분광현미경이다.
능동형 탐침증강 광발광 나노현미경은 연구진이 앞서 개발한 기술로 제어 가능 단면적이 10나노미터 정도로 좁아 압력을 기가 파스칼(GPa) 수준으로 높일 수 있다. 또 탐침을 양자점에서 제거하면 양자점에 생긴 기계적 변형이 회복되는 것이 이 기술의 장점이다. 이는 양자점이 구조적으로 손상돼 효율이 떨어지는 문제도 방지한다.
UNIST 물리학과 대학원생 이형우는 "세계 최초로 단일 양자점의 특성을 변화가 가능하도록 조절할 수 있음을 증명했을 뿐만 아니라 기존 양자점 발광 에너지 제어 연구의 한계인 효율 저하 문제의 해결방안을 제시한 것"이라고 말했다.
박경덕 교수는 "이 파장가변 초고휘도 단일 페로브스카이트 양자점 기술을 차세대 디스플레이에 적용한다면 매우 얇고 소비전력이 낮은 양자점 TV를 지금보다 훨씬 낮은 단가로 생산이 가능할 것"이라며 "이외에도 다양한 초소형 나노 광전자 소자의 개발에도 사용될 수 있다"고 밝혔다.
이번 연구에 사용된 페로브스카이트 양자점은 성균관대 정소희 교수팀과 한국생산기술연구원 우주영 박사가 제작했으며, 양아점의 상온 안정화 공정과 기본 특성 분석에는 한양대 물리학과 정문석 교수팀이 참여했다. 연구 결과의 물리적 해석을 위한 이론 계산은 KAIST 물리학과 김용현 교수팀이 주도했다고 한다.
해당 연구는 국제학술지 ACS Nano에 논문명 'Tip-Induced Strain Engineering of a Single Metal Halide Perovskite Quantum Dot'으로 5월 25일 자로 출판됐으며, 단일 양자점 특성 제어에 관한 원천기술은 국내 및 유럽 특허로 출원됐다.
이번 새로운 변형률 제어법을 통해 양자점 기반의 차세대 나노 광전자 소자의 광학적, 전기적 특성을 제어하는 실현 가능한 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
포인트경제 김유정 기자