서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 화학생물공학부 박정원 교수와 삼성디스플레이 공동 연구팀이 광산화 과정에 의한 양자점의 발광 성능 열화 메커니즘을 규명해 고성능, 장수명 양자점 디스플레이 소재 개발에 획기적인 전기를 마련했다고 밝혔다.

2023년 10월 4일 선정된 노벨 화학상의 주인공인 양자점은 1980년대부터 개발이 진행됐으며, 인류에 큰 혜택을 가져오고 있다. 특히 다양한 분야에서 활용되고 있는 양자점 소자 중에서도 차세대 디스플레이 소자로 ‘InP 양자점’이 주목을 받고 있다.

하지만 InP 양자점은 산화가 잘되는 특성을 가지고 있어 고성능 고수명의 디스플레이 개발에 난제로 남아있었다. 이를 해결하기 위해 InP 양자점에 다른 종의 물질을 이중 층으로 껍질처럼 코팅하는 방식의 개발이 진행되고 있었으나, 이중쉘 구조의 InP계 양자점을 활용한 소자 구동 시 UV 광을 오랜 시간 조사 시 성능이 감소하는 현상이 있었다.

이에 분광학(spectroscopy)을 활용한 연구가 진행돼 왔고, 성구조적인 결함이 성능 감소와 연관성이 있음이 알려졌다. 하지만, 구조적 결함의 형성 과정과 결함의 형성이 양자점의 구조적으로 어떠한 변성을 일으켜 발광 성능을 악화시키는지는 알려진 바가 거의 없었다.

이에 공동 연구팀은 투과 전자 현미경으로 많은 개별 양자점 입자들의 산화로 인한 산화 아연 형성 및 산화물로 인한 양자점의 구조적인 결함 형성을 관찰했다. 이를 통해 결함이 있는 부분으로 InP 양자점에서 In이 외부로 확산해 나가 최종적으로 양자점의 발광 성질의 악화를 가져온다는 것을 확인했다.

또한 동일한 입자에 대한 전자현미경 분석방법을 통해 양자점의 광산화로 인한 구조적인 변성과 발광 성능을 연관시킬 수 있는 방법이 마련돼 산화에 의한 구조적 결함이 형성됐음을 검증할 수 있었다.

이번 연구에서 제시하는 개별입자 수준의 양자점의 광산화에 의한 열화 메커니즘은 양자점의 구조적인 결함 형성 과정에 대한 이해를 높이고, 고안정성의 양자점의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

공동 연구팀은 이번 연구를 통해 개별 입자 수준의 양자점의 구조적인 변성 과정에 대한 이해를 높일 수 있었다며, 향후 액상환경에서 양자점의 광학 성능의 감소 현상을 이해하고자 액상 투과전자현미경을 통해 실시간으로 관찰하고 고찰하고자 한다고 밝혔다.

한편 과학기술정보통신부(또는 교육부)와 기초과학연구원 지원(IBS-R006-D1), 삼성디스플레이(Samsung Display Co., Ltd.), 삼성미래기술 육성센터에서 지원하는 민간 지원 사업(SRFC-MA2002-3)의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 융합과학 분야 국제학술지인 ‘네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2024년 2월 23일 자로 게재됐다.

 출처 : 서울대학교 공과대학 화학생물공학부