Research
기존 기술의 한계를 극복한 비카드뮴 양자점 합성 핵심 기술 개발
DGIST 이종수 교수팀, 높은 색 재현력을 갖는 녹색발광 비카드뮴 양자점 합성기술 개발
비카드뮴 양자점이 갖던 성능의 한계 극복해...향후 차세대 디스플레이 및 다양한 광전소자에
활용될 수 있을 것으로 기대돼
[DGIST 에너지공학전공 이종수 교수(중간)와 연구진들]
DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이종수 교수 연구팀은 높은 색재현율을 갖는 녹색발광 비카드뮴 양자점 합성기술을 개발했다. 이번에 개발된 양자점 소재는 차세대 디스플레이를 포함한 AR/VR 등 다양한 광전소자에 활용될 수 있을 것으로 기대된다
양자점(Quantum Dot)은 머리카락 굵기의 수만 분의 1에 불과한 초미세 나노 크기 반도체 나노입자다. 특히 자연색을 그대로 재현할 만큼 높은 색 재현력을 갖고 있어 초고화질 디스플레이에 적용되는 HDR(High Dynamic Range) 기술에 최적화된 소재다. 여기에 다른 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아, 차세대 디스플레이를 포함한 다양한 광전소자 분야에서 꿈의 신소재로 각광받고 있다. 이 때, 양자점의 발광파장의 반치폭이 좁을수록 높은 색 재현력를 갖게 되는데, 현재까지는 녹색발광 비카드뮴 양자점의 발광피크 반치폭은 35nm가 한계였다.
이종수 교수팀은 승온법을 이용, InP계 양자점 합성공정을 최적화 했으며, 염화아연(ZnCl2)과 옥타놀(1-Octanol)을 이용해 양자점 표면의 안정화 처리를 진행해 양자점 발광파장의 반치폭을 33nm이하로 줄이는데 성공했다. 또한 양자효율 80%이상 달성과 더불어 기존 양자점과 동일한 수준의 안정성 확보에도 성공하며 양자점을 정제하는 과정에서 발생하던 양자효율 손실 및 안정화 감소의 문제도 해결했다.
DGIST 에너지공학전공 이종수 교수는 “이번 연구는 비카드뮴계 양자점의 한계로 알려진 30nm 이하의 발광피크 반치폭이 가능하다는것을 증명한 연구”라며 “향후 후속 연구를 통해 30nm이하의 발광 반치폭과 함께 100%에 근접하는 양자효율을 갖는 친환경 양자점 개발을 진행해 차세대 디스플레이 및 관련 산업분야에 기여하고자 한다”고 말했다
한편, 이번 결과는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구자지원사업 및 대구경북과학기술원 그랜드챌린지연구혁신프로젝트(Pre-CoE) 초연결미래소자밸리트로닉스 연구단 지원을 통하여 수행되었으며, 재료화학분야의 최고 권위있는 학회지중의 하나인 재료화학(Chemistry of Materials)에 5월 28일(금) 지면에 게재됐다.
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연구결과개요
Importance of Surface Functionalization and Purification for Narrow FWHM and Bright Green-Emitting InP Core–Multishell Quantum Dots via a Two-Step Growth Process
(Derrick Allan Taylor, Justice Agbeshie Teku, Sinyoung Cho, Weon-Sik Chae, Seock-Jin Jeong, and Jong-Soo Lee*)
(Chemistry of Materials, on-line published on 05.28, 2021)
인듐포스파이드(InP)계 코어-쉘 양자점은 카드뮴이 포함되지 않은 친환경 양자점 소재로서 디스플레이에 적용되고 있는 소재로 각광받고 있다. 하지만 현재까지 카드뮴(Cd)이나 납(Pb)과 같은 중금속이 포함된 양자점에 비해 양자효율 및 색재현율이 크게 떨어지는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 2단계 승온방법을 이용하여 In(Zn)P코어 나노입자에 ZnSe/ZnSeS/ZnS쉘을 격자결함을 최소화하면서 적층할 수 있는 방법을 개발하였다. 또한 합성된 최종 나노입자의 표면을 염화아연(ZnCl2)나 옥타놀(1-Octanol)을 이용하여 표면처리를 함으로써 표면결함을 효과적으로 제어하여 양자효율을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 이들 연구를 통하여 현재까지 불가능하였던 35nm이하의 반치폭을 가지는 인듐포스파이드계 코어-쉘 양자점 합성이 가능하다는 것을 증명하였으며, 본 연구에서 합성된 인듐포스파이드계 코어-쉘 양자점의 발광 반치폭은 33nm이하, 양자효율은 80%이상까지 합성할 수 있었다. 이 연구는 향후 풀칼라(Full Color), 고색순도를 가지는 비카드뮴 디스플레이 및 자발광 소자 발전에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
이번 연구에서는 현재 퀀텀닷TV와 같은 디스플레이 소재로 각광받고 있는 친환경 인듐포스파이(InP)계 코어-쉘 양자점의 색순도 향상을 위한 한계로 여겨졌던 35nm이하의 발광 반치폭을 가지는 양자점 합성기술을 확보하였고, 염화아연(ZnCl2)이나 옥타놀(1-Octano)을 이용한 표면안정화 처리를 통하여 양자효율이 크게 개선되는 효과를 발견함에 의미가 있다. 뿐만 아니라 양자점의 정제과정에서 양자효율 손실 및 안정화 감소의 문제를 해결했다는데 의미가 있다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 연구에서 개발된 친환경 고색순도를 가지는 비카드뮴 퀀텀닷은 휴대폰, 테블릿, QD TV와 같은 디스플레이이 뿐만 아니라 AR/VR, 광센서등 다양한 광전소자에 응용범위를 가지고 있다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
현재 시판중에 있는 퀀텀닷 TV는 스스로 빛을 내는 퀀텀닷이 아니라 파란색 발광원의 에너지를 받아 초록색 및 적색 퀀텀닷을 빛을 여기시켜 디스플레이의 색을 표현하는 컬러필터 기반 광여기 방식을 사용하고 있다. 디스플레이를 천연색에 가깝게 구현하기 위해서는 전류를 받아 스스로 빛을 내는 전계발광 방식의 디스플레이 구현이 가능해야 한다. 전계발광 디스플레이 기술은 향 후 5년 이상의 연구개발이 되어야 할 것이라 생각되며 전하수송층 및 발광층, 소자 안정성등 해결해야 할 이슈들이 많지만 특히 발광색을 결정하는 R/G/B 발광층 퀀텀닷 소재의 색재현성, 양자효율 및 열적 안정성 이슈를 해결해야 한다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
비카드뮴계 양자점 소재합성, 패터닝, 퀀텀닷 전계발광등 나노 소재 및 소자 연구는 2015년 산업자원부의 소재부품사업과제를 수행하면서 고색순도 및 고양자효율을 가지는 비카드뮴, 비납계 퀀텀닷 소재 원천기술 확보를 위해 시작하게 되었다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
현재까지 높은 색순도 및 양자효율을 가지는 양자점은 카드뮴(Cd)과 같은 중금속이 포함되는 소재를 이용하였으며, 고순도의 비카드뮴 퀀텀닷의 합성기술은 진입장벽이 매우 높고 고색순도, 고양자효율을 가지는 퀀텀닷 합성을 위해서 다양한 프리커서 개발, 표면결함 제어 및 공정 최적화등의 문제점을 해결해야 한다. 본 연구의 가장 큰 의의는 비카드뮴계 양자점의 한계로 알려진 30nm 이하의 반치폭을 가지는 양자점 합성이 가능할 수 있음을 증명하였고, 향후 후속 연구를 통하여 30nm이하의 발광 반치폭 및 100%에 근접하는 양자효율을 가지는 친환경 소재 확보를 통한 디스플레이, AR/VR, 광센서에 관련된 산업분야에 기여할 수 있는 핵심기술을 확보함에 있다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
현재 특정기업에서만 확보하고 있는 비카드뮴계 양자점 소재합성 기술을 디스플레이 및 광전소자 적용을 고려하고 있는 학계, 연구소, 산업체에 보급하여 다양한 분야에 비카드뮴계 양자점을 적용한 소재, 소자개발 활성화에 기여하고자 한다.
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그림 설명
[그림]고색순도를 가지는 인듐포스파이드(InP)코어-쉘 양자점 합성
(그림설명) 양자점 합성공정 및 정제에 따른 양자효율 및 발광파장 반치폭 변화, 균일한 사이즈를 가지는 양자점의 분리 및 반응부산물을 제거하기 위해 필수적인 정제과정에서 양자점의 광물성 특성에 미치는 솔벤트의 중요성
