차세대 발광소자 '양자점' 발광 세기 7배 향상

과기연, 양자점-실리카 결합기술로 발광 세기·안정성 극대화

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 디스플레이 등에 활용될 차세대 발광소자로 주목받는 양자점(Quantum dot)의 발광 세기를 7배 정도 향상하면서 안정성까지 크게 높이는 광소재 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 미래융합기술연구본부 우경자 박사와 유혜인 연구원은 3일 공 모양의 실리카 입자 표면에 양자점을 반데르발스 힘(van der Waals force)으로 결합하는 방법으로 양자점의 발광 세기와 안정성을 극대화한 광소재를 개발했다고 밝혔다.

양자점은 에너지를 흡수해 빛을 내는 10나노미터(㎚:10억분의 1ｍ) 이내 크기의 반도체 나노입자로 유기염료보다 광안정성과 색 순도, 광효율 등이 우수해 차세대 발광소자의 핵심기술로 꼽힌다.

그러나 양자점은 나노입자의 근원적 문제점인 응집현상이 심해 양자점 표면을 별도로 처리하지 않으면 서로 뭉쳐 발광 특성을 급격히 잃는 문제가 있다.

연구진은 이 문제를 극복하기 위해 15∼25㎚ 크기의 실리카 입자를 뭉쳐 100∼200㎚ 크기의 공처럼 만든 다음 그 표면에 양자점을 10㎚ 이상 간격으로 결합하고 그 위를 다시 실리카로 코팅해 양자점들의 응집을 막았다.

양자점-실리카 결합입자 제작 과정 15∼25㎚ 크기의 실리카 입자를 뭉쳐 100∼200㎚ 크기의 공처럼 만든 다음 그 표면에 양자점을 10㎚ 이상 간격으로 결합하고 그 위에 다시 실리카를 코팅했다. [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

핵심은 실리카 공 표면에 양자점을 일정 간격으로 배열해 결합하는 것이다. 실리카 공은 15∼25㎚의 작은 실리카 입자들이 결합해 울퉁불퉁한 표면을 이루고 있어 양자점들이 자연스럽게 오목한 부분에 자리 잡는 것으로 나타났다.

또 오목한 부분의 실리카와 양자점 사이 접촉면적이 넓어지면서 입자 사이에 작용하는 약한 힘인 반데르발스 힘만으로도 강한 결합이 형성됐다.

이렇게 만든 양자점-실리카 결합입자는 발광 세기가 기본 양자점보다 690%까지 증대됐다. 양자점-실리카 결합입자 표면에 코팅된 실리카가 양자점의 발광 효율을 높이는 역할을 하는 것으로 연구진은 분석했다.

양자점-실리카 결합입자 제작과정과 안정성 실험 (a)15∼25㎚ 크기의 실리카 입자를 뭉쳐 100∼200㎚ 크기의 공처럼 만든 다음 그 표면에 양자점을 10㎚ 이상 간격으로 결합하고 그 위에 다시 실리카를 코팅했다. (b) 각 입자의 발광 세기 그래프 (c) 6W의 자외선 아래에서 양자점-실리카 결합입자(위)는 발광특성이 5일 이상 유지됐으나 양자점 기본입자는 2일만에 응집돼 발광 특성을 상실했다. [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

또 양자점-실리카 결합입자는 응집문제 해결로 안정성도 크게 높아졌다. 기본 양자점과 양자점-실리카 결합입자에 6W의 자외선(UV)을 쬐자 기본 양자점은 2일만에 응집돼 발광 특성을 완전히 잃었으나 양자점-실리카 결합입자는 초기 발광 특성이 5일 이상 유지됐다.

우 박사는 "이 연구에서 최고의 광특성을 발현하도록 양자점과 실리카 입자를 물리적 상호작용만으로 결합하는 기술을 개발했다"며 "개발된 광소재는 LED, 디스플레이, 바이오-이미징, 센서 등에 적용될 것으로 기대한다"고 말했다.

한국연구재단 나노소재기술개발사업과 한국과학기술연구원 미래원천연구사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '저널 오브 피지컬 캐미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters. 4월 19일 자)에 게재됐다.

KIST 우경자 박사(왼쪽)와 유혜인 연구원 [한국과학기술연구원 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

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