국내연구진, 고효율 녹색 양자점 LED 개발

국내연구진이 그동안 제작과정이 복잡하고 어려워 한계가 있었던 '녹색 양자점 LED' 개발에 성공했다.

서울대학교는 이창희 공과대학 전기컴퓨터공학부 교수, 차국헌 화학생물공학부 교수, 이성훈 화학부 교수로 구성된 공동연구팀이 '녹색 발광 양자점 연구'를 통한 고효율 '녹색 양자점 LED' 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 재료학회지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)지' 5월 4일자에 게재됐고 재료 분야에서의 선진 연구를 소개하는 '아시아 머터리얼즈(Asia Materials)' 4월 22일자에 하이라이트로 소개됐다.

공동연구팀은 LED-LCD TV의 차세대 디스플레이 소재나 백색 조명등의 광원으로 사용하기 위해 높은 색순도와 광효율을 갖는 양자점을 대량으로 합성하는 방법과 이를 바탕으로 전기 발광소자를 제작하는 연구를 진행해왔다.


연구팀 관계자는 "특히 제작과정이 복잡하고 소자 구현시 양자점 내부로 전하의 주입이 힘들어 이제까지 개발이 어려웠던 녹색 발광을 하는 양자점 및 그에 기반한 녹색 전기발광소자(LED) 연구에 집중해왔다"고 밝혔다.

연구팀에 따르면 어떤 물질의 크기가 수 나노미터의 영역으로 감소하게 되면 그 이상의 크기에서는 나타나지 않던 독특한 전기적, 광학적, 역학적 특성 등이 나타나게 되는데 이를 '양자 국한 현상'이라고 한다. 특히 반도체 나노입자는 '양자 국한 현상'에 의해 그 크기에 따라 전기적, 광학적 특성이 변화하게 되는데 이런 효과가 발현된 반도체 나노입자를 '양자점'이라고 한다.

연구팀은 '녹색 양자점'을 '습식화학합성법'에 기반한 단일 주입방법으로 대량으로 제작했다. '습식화학합성법'은 반도체 나노 결정을 용매 내에서 성장시키는 방법을 말한다.

연구팀 측은 "이렇게 제작된 양자점은 핵 물질과 껍질형성 물질간의 격자 결함이 최소화된 구조를 지니며 전하 및 수송체 등의 양자점 내부 주입이 용이하기 때문에 기존 보고된 녹색 양자점 LED와 비교할 때 2배 이상의 효율과 3배 이상의 최대 밝기, 20% 이상 색순도가 향상되는 결과를 가져왔다"고 설명했다.

연구팀에 따르면 그동안 양자점의 합성은 합성과정이 복잡하고 생산 비용이 높은 다단계 합성법에 기반해 '적색 양자점'을 제작하는데 국한돼 있었다. 따라서 전기 발광 소자 또한 적색에 한해 높은 효율을 구현할 수 있었다.

하지만 이번 연구 결과는 높은 광효율 및 광안정성을 갖는 '녹색 양자점'을 단일 주입법에 기반해 30% 이상 절약된 시간과 비용으로 제작하는데 성공한 것이다.

연구팀 관계자는 "이를 바탕으로 녹색 양자점을 전기발광소자에 응용해 고휘도, 고순도, 고효율의 녹색 전기발광소자를 개발했다"고 밝혔다.

이성훈 교수는 "단일 주입방법을 이용해 제작된 양자점은 효율과 안정성 및 생산성이 높다"며 "또한 이 양자점을 바탕으로 개발된 발광 소자 내 전하들은 광전환 효율이 우수하다"고 설명했다.

이창희 교수는 "이번 녹색 전기 발광 소재 및 소자의 개발은 향후 반도체 양자점에 기반한 고효율, 고휘도, 고순도의 차세대 디스플레이 및 백색광의 구현을 앞당길 것"이라고 말했다.

김철현 기자 kch@asiae.co.kr