단일 양자점 밝기와 색깔 조절하는 기술 최초 개발!

TV 같은 디스플레이 소자에 쓰는 양자점(퀀텀닷)의 밝기와 색깔(파장)을 조절하는 새로운 방식이 나왔다. 양자점 입자 하나를 초미세 탐침으로 눌러 밝기와 파장을 조절하는 방식이다. 매우 얇고 소비전력이 낮은 양자점 TV와 같은 차세대 양자점 디스플레이 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.

그림1. 탐침증강 광발광 나노현미경을 이용한 페로브스카이트 양자점 변형률 제어 묘사한 그림

UNIST 물리학과 박경덕 교수와 성균관대 에너지과학과 정소희 교수 공동연구팀은 페로브스카이트 양자점 입자 하나가 내는 빛의 밝기와 파장을 자유자재로 조절하는 데 성공했다. ‘능동형 탐침증강 광발광 나노현미경’의 탐침으로 페로브스카이트 양자점에 높은 압력을 가해 구조적 변형을 유도함으로써 양자점 빛의 밝기와 파장을 바꾸는 기술을 썼다. 특히 이 기술로 양자점의 밝기를 10만 배 이상 밝게 만들 수 있어 초고휘도(밝기) 디스플레이에 응용할 수 있다.

양자점은 수 나노미터(nm, 10-9m)의 수준으로 작은 반도체 입자다. 스스로 특정 색의 빛을 낼 수가 있어 빛을 쏴주는 백라이트나 컬러필터가 필요 없는 얇고 가벼운 TV나 휴대폰 화면을 만들 수 있다. 하지만 일단 양자점이 합성된 이후에는 그 밝기나 색깔 같은 발광 특성 조절하기가 매우 어려워 응용 소자 개발에 제약이 있었다.

그림2. 발광에너지 및 세기 변화 분석

연구팀은 ‘능동형 탐침증강 광발광 나노현미경’의 원자힘 탐침을 압전소자와 연결하여 페로브스카이트 양자점에 압력을 가해 발광 특성을 조절할 수 있었다. ‘능동형 탐침증강 광발광 나노현미경’은 연구진이 선행 개발한 기술로, 제어 가능 단면적이 10나노미터 정도로 좁기 때문에 압력(단위면적에 가해지는 힘)을 기가파스칼(GPa) 수준으로 높일 수 있다. 탐침을 양자점에서 제거하면 양자점에 생긴 기계적 변형이 회복되는 것도 이 기술의 장점이다. 따라서 양자점이 구조적으로 손상돼 효율이 떨어지는 문제도 방지할 수 있다.

연구를 주도한 이형우 UNIST 물리학과 대학원생은 “세계 최초로 단일 양자점의 특성을 가역적으로 조절할 수 있음을 증명했을 뿐만 아니라, 기존 양자점 발광에너지 제어 연구의 한계였던 효율 저하 문제의 해결방안을 제시했다”며 “기존의 양자점 광특성 조절 연구의 통념을 깨는 새로운 연구”라고 설명했다.

연구팀은 ‘능동형 탐침증강 광발광 나노현미경’으로 기계적 압력을 가하는 동시에 기계적 변형에 따라 변화하는 양자점의 발광 특성을 빛의 회절한계를 훨씬 뛰어넘는 약 15나노미터의 공간분해능으로 분석할 수 있었다. 특히 양자점을 금 소재인 원자힘 탐침과 금 박막 사이에 위치시킬 경우 퍼셀 효과를 통해 발광 세기가 약 10만 배 이상 커지는 것을 확인했다. 또 양자점의 색깔(파장)을 결정하는 에너지 밴드 갭도 변화시킬 수 있었다.

박 교수는 “이번에 선보인 파장가변 초고휘도 단일 페로브스카이트 양자점 기술을 차세대 디스플레이에 적용한다면 매우 얇고 소비전력이 낮은 양자점 TV를 지금보다 훨씬 낮은 단가로 생산할 수 있을 것”이라며 “디스플레이 외에도 다양한 초소형 나노 광전자 소자의 개발에도 쓰일 수 있을 것”이라고 이번 연구의 의미를 설명했다.

한편, 이번 연구에 사용된 10나노미터 크기의 페로브스카이트 양자점은 성균관대 정소희 교수팀과 한국생산기술연구원 우주영 박사가 제작했으며, 양자점의 상온 안정화 공정과 기본 특성 분석에는 한양대 물리학과 정문석 교수팀이 참여하였다. 또 연구 결과의 물리적 해석을 위한 이론 계산은 KAIST 물리학과의 김용현 교수팀이 주도했다.

연구결과는 국제학술지 ACS Nano에 5월 25일자로 출판됐으며, 단일 양자점 특성 제어에 관한 원천기술은 국내 및 유럽 특허(PCT)로 출원됐다. 연구수행은 한국연구재단, UNIST, 한국생산기술연구원 등의 지원을 받아 이뤄졌다.