고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다 - 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장 - 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨 태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다. *태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨* (CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다. *황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음 연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다. *광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도 연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다. *전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다. KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다. * (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장 <그림설명> <그림 1> CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 ？0.3 V에서 ？24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측).

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다 - 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장 - 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨 태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다. *태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨* (CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다. *황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음 연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다. *광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도 연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다. *전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다. KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다. * (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장 <그림설명> <그림 1> CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 ？0.3 V에서 ？24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측).

고효율 화합물 반도체로 청정에너지 ‘수소’ 만든다 - 프린팅 기반 화합물 반도체로 태양 에너지를 청정에너지 ‘수소’로 저장 - 저비용, 고효율 반도체 전극 제작기술로 태양광 수소 생산 상용화 앞당겨 태양광 물 분해 기술*은 햇빛과 물로부터 수소를 얻는 대표적인 청정연료 생산방법이다. 앞으로 수소는 화석연료를 대체할 연료로 각광받으며 사용량이 급격히 증가할 것으로 예상되나, 현재의 수소 제조법은 지구 기후변화를 야기하는 이산화탄소를 대량 방출한다는 한계점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해, 태양광 사용으로 물로부터 직접 수소를 제조하는 기술이 제안되어 왔지만, 아직까지 태양광으로부터의 생산 효율이 낮고, 소재 개발 단계에 머물러 있는 등 실용화에 크게 어려움을 겪고 있었다. *태양광 물분해 : 인공광합성의 예, 햇빛을 흡수하여 물로부터 수소와 산소를 생산하는 촉매 반응 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 청정에너지연구센터 황윤정, 민병권 박사팀은 태양광-수소 제조 디바이스(광전기 화학전지)의 태양광-수소 생산 성능을 크게 향상시키는 반도체 광전극의 저가 제조법을 개발했다. KIST 연구진은 지금까지 태양전지에 주로 사용되어온 황셀레늄화구리인듐갈륨* (CuInxGa1-xSySe2-y, CIGS) 반도체 화합물을 광촉매로 직접 활용하여 태양광 에너지를 수소에너지로 저장하는 인공광합성 장치에 적용하였다. 고비용의 진공장비를 이용하는 CIGS 제작법은 대량생산 및 대면적화에 어려움이 있어, 경제성 확보를 위해 저가의 프린팅 공정 기반의 기술 개발이 필요했다. 하지만 반도체 화합물의 용액 프린팅 공정방법은 아직까지 고품질의 CIGS 박막을 만드는데 한계가 있어 기술 향상이 필요한 부분이었다. *황셀레늄화구리인듐갈륨 화합물(CIGS) : 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄의 원소가 일정비율로 결합된 화합물로 반도체 특성을 나타냄. 물을 환원시켜 수소를 생산하는 광촉매전극으로 관심을 받고 있음 연구진은 용액 프린팅 공정 기반 합성법을 개발하고, 황화아연(ZnS) 방식층을 CIGS 박막 위에 도포함으로써, CIGS 광촉매전극의 태양광-수소 전환 광전류 밀도*를 7mA/cm2에서 24mA/cm2으로 3배 이상 대폭 향상시켰다. 본 연구팀이 개발한 CIGS 광전극은 기존에 알려진 ∼10mA/cm2 수준의 최고 성능보다 월등히 높은 값이며, 고가 진공공정으로 제작한 CIGS 화합물 반도체가 나타내는 성능과도 견줄 만한 수준이라고 할 수 있다. *광전류 밀도 : 빛을 통한 전기 화학반응, 수소가 얼마나 빠르게 생성되는지의 정도 연구진은 효율의 향상을 위해 CIGS 표면 상태(Surface State)를 억제하고, 전자-정공쌍의 수명*을 크게 향상 시키는 기술 개발을 통해 가능하게 되었다. 또한, 파장별 광효율 측정을 통해, CIGS 광전극 내의 광전자의 움직임이 광전극 활성을 향상시키는데 매우 중요한 역할을 한다는 과학적 현상을 실험적으로 밝히기도 하였다. 한편, 연구진은 개발된 기술로 태양광을 전/후면 양방향으로 사용가능하게 제작하여 CIGS 광촉매 광전극의 다양한 응용 가능성을 제시하였다. *전자-정공쌍의 수명 : 반도체가 빛 에너지를 흡수하면 전자와 정공이 쌍을 이뤄 생성되고, 물 분해에 사용된다. 이 전자-정공쌍이 재결합하는데 걸리는 시간을 전자-정공쌍의 수명이라고 한다. KIST 황윤정 박사는 “이번에 개발된 저가 용액 프린팅 공정이 가능한 고효율 CIGS 화합물 광촉매 광전극 기술은 앞으로 태양빛과 물로부터 청정수소를 생산하는 시스템 개발에 큰 기여를 할 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희) 지원으로 KIST 미래원천 연구사업 및 특화전문대학원 학연협력 지원사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 화학 분야의 저명 국제 학술지인 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society: JACS, (IF : 13.038))에 12월 7일(Vol.138, Issue 48) 게재되었다. * (논문명) Enhanced Photocurrents with ZnS Passivated Cu(In,Ga)(Se,S)2 Photocathodes Synthesized Using a Nonvacuum Process for Solar Water Splitting - (제1저자) 한국과학기술연구원 채상윤 연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 황윤정 선임연구원, 민병권 센터장 <그림설명> <그림 1> CIGS화합물 광전극과 황화아연층을 적용한 광전극의 광전류밀도를 비교한 결과 (좌측) 와 투명유리 기판위에 CIGS 광전극을 준비하고 황화아연층을 도입한 광전극의 모식도 (좌측 내부). 가역수소전극 대비 ？0.3 V에서 ？24mA/cm2의 광전류를 보임을 확인. 전극 표면에서 실제 생성된 수소 가스의 사진 (우측).

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.

광효율 100% 도달한 新구조 양자 광소재 개발 - 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지니는 양자 광소재 개발 - 내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재 퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다. 기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다. KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다. 연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다. 연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다. 본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다. <그림설명> <그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성 a. 구형양자우물구조 광소재의 모식도 (r: 씨앗층의 반지름, l: 양자우물층의 두께, h: 껍질층의 두께), b. 실제 대량합성된 광소재의 실물사진, c. 구형양자우물구조 광소재 내부의 에너지 준위, d. 구형양자우물구조 광소재와 기존 핵/껍질 구조 양자점의 셀두께에 따른 발광효율 변화그래프 <그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과 구형양자우물구조 광소재의 바깥 껍질 두께가 증가할수록 깜빡임 현상이 획기적으로 감소한다. <그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가 200℃의 고온에서도 1시간 반 이상 노출시켜도 두꺼운 껍질을 갖는 구형양자우물구조 광소재의 양자효율이 유지되는 것을 확인할 수 있다.