한국생산기술연구원이 페로브스카이트 퀀텀닷의 표면구조와 소재 안정성 간의 관계를 세계 최초로 규명하고 대기 중에서도 높은 발광성능을 유지할 수 있는 제조기술 개발에 성공했다.
생기원은 공정플랫폼연구부문 우주영 박사 연구팀이 성균관대 정소희 교수, KAIST 김용현 교수와의 공동연구를 통해 양자점 표면에 결합되어 있는 유기분자인 ‘유기리간드’가 결여되면 입자들간의 결합 현상이 발생해 불안정성이 초래된다는 사실을 세계 최초로 발견, 문제 해결의 실마리를 찾았다고 14일 밝혔다.
페로브스카이트 퀀텀닷은 입자가 10㎚ 이하의 작은 크기로 유지되는 경우에만 밝고 선명한 빛을 내는 특성이 있다. 그런데 산소와 수분이 많은 대기 중에 노출될 경우, 입자들끼리 서로 결합하여 크기가 커지면서 발광효율이 현저히 저하된다.
이같은 대기 중 소재 불안정화 현상은 종래의 연구를 통해 알려져 있었으나 그 원인에 대해서는 아직 밝혀진 바 없어 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 퀀텀닷 표면에 유기리간드가 존재하지 않는 특정 부분이 존재하며 대기에 노출될 경우 해당 표면을 중심으로 입자들이 서로 빠르게 달라붙는 현상을 관측했다.
이에 착안해 브롬화 아연과 같은 '할로젠화 메탈'을 첨가제로 사용해 표면 전체에 유기리간드가 고르게 존재하는 소재의 합성법을 개발해냈다.
이 방법을 적용하면 대기 중에서도 입자들 간의 결합이 효과적으로 억제되어 페로브스카이트 퀀텀닷의 우수한 발광특성을 안정적으로 유지할 수 있다.
향후 이 소재가 상용화돼 디스플레이에 활용되면 색순도와 밝기가 매우 우수해 상용 OLED 디스플레이를 뛰어넘는 자연의 색 그대로의 초고화질을 구현해낼 것으로 기대된다.
생기원 우주영 박사는 ”지금껏 수행해왔던 다양한 퀀텀닷 연구 노하우를 페로브스카이트 퀀텀닷 소재에도 적용해 얻은 성과“라며 “향후 탄소중립 시대에 맞춰 퀀텀닷 소재 기반 차세대 고성능 태양전지나 청정수소 생산 등 에너지 분야로 연구를 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
이번 성과는 지난해 2월 ‘Journal of Physical Chemistry Letters(물리 분야 상위 7%)’에 게재된 데 이어 후속연구도 올해 지난 11일 재료과학 분야의 상위 5% 저널 ‘ACS Nano’에 채택된 바 있다.
연구팀은 현재 규명한 원리를 바탕으로 불안정하게 제작된 퀀텀닷 표면구조를 첨가제 없이도 안정화시킬 수 있는 후속연구를 수행중이다.
/천안=박희윤 기자 hypark@sedaily.com
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