발광 21배 높인 퀀텀닷 발광소재 개발

■ 발광 21배 높인 퀀텀닷 발광소재 개발

 

KAIST 신소재공학과 정연식, 전덕영 교수와 전기 및 전자공학부 장민석 교수로 구성된 공동 연구팀이 팝콘처럼 내부에 공기 주머니가 가득한 고분자 매질과 퀀텀닷이 융합된 새로운 발광 소재를 개발하는 데 성공했다고 2019년 09월 30일 밝혔다. 연구팀은 이 기술을 활용하여 퀀텀닷의 광 발광(Photoluminescence) 특성이 순수 퀀텀닷 필름 대비 최대 21배까지 증가하는 것을 확인했다.

 

연구팀에 따르면, '퀀텀닷'은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 입자로 크기와 표면 처리에 따라 광학. 전기적 특성을 자유자재로 조절할 수 있다. 때문에 퀀텀닷을 이용한 디스플레이를 비롯해 다양한 광전자 소자(발광 다이오드, 태양 전지, 광센서, 레이저) 개발에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 수년 전, 국내 대기업 삼성 전자가 퀀텀닷 LED TV를 출시했고, 차세대 퀀텀닷 올레드(OLED) TV 출시를 발표하면서 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐다.

 

하지만, 일반적으로 기존의 이 순수 퀀텀닷 필름은 광흡수도와 광추출도가 높지 못하고, 인접한 퀀텀닷 간의 상호 작용으로 광 효율이 매우 낮아지는 문제가 있었다. 이 같은 문제 해결을 위해 KAIST 공동 연구팀은 블록 공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅해 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리했다.

 

이후, 수분을 빠르게 증발시키면서 형성되는 미세한 공극 구조에 퀀텀닷이 고르게 배열된 소재를 개발한 것이다. 이는 마치 옥수수를 가열하면 내부의 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속이 빈 팝콘 구조가 형성되는 원리와 유사하다. 연구팀은 이 다공성 고분자 매질을 활용하면 빛과 고분자 매질의 상호 작용이 극대화돼서 퀀텀닷 복합 소재의 광흡수도와 광추출도가 각각 4-5배씩 증가하는 것을 발견했다.

 

또한, 블록 공중합 고분자는 수 나노미터(nm) 크기의 상분리 구조를 스스로 내부에 형성해 퀀텀닷 입자들을 고르게 분산시켜 줘서 퀀텀닷 간 상호 작용에 의한 발광 강도 감소 현상도 크게 낮춰 주는 것을 확인했다. 연구팀은 현재 이 기술을 국내 특허로 등록했으며, 미국 등 해외에서도 특허 심사를 진행 중이다.

 

정연식 교수는 "이번 연구 결과를 청색 LED 발광 소재로 적용하면, 순수 퀀텀닷 대비 7배 이상의 발광 강도 향상 및 45% 이상의 내구도 향상 효과가 있다. 특히 값비싼 발광 소재를 적게 사용하고도 우수한 발광 특성을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 향상에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구 논문은 미국 화학회가 발간하는 국제 학술지 '나노 레터스(Nano letters)' 2019년 09월 03일 자 온라인판에 게재됐다.