KIST, 새로운 혼합소재 개발
디스플레이의 소비전력 절감
정대환 박사는 21일 "이 소재는 마이크로 LED와 같이 발광소자의 크기가 작아질수록 소자 효율이 줄어드는 스케일링 문제점의 한계를 극복할 수 있을 것"이라며, "디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮춰 글로벌 에너지 절감에 기여하는 소재로 개발이 기대된다"고 말했다.
최근 증강현실(AR)이나 가상현실(VR)용 헤드마운트 디스플레이, 스마트 워치 등 차세대 전자제품에 사용되는 LED의 해상도를 높이기 위해 점점 작은 발광소자가 개발되고 있다. 하지만 소자의 크기가 작아질수록 부피 대비 표면적이 늘어나 표면에서 손실되는 전자들이 많아지고 이에 따라 발열이 발생해 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.
연구진은 고효율 발광 소재를 만들기위해 표면 안정성이 뛰어난 2차원 소재 '그래핀'과 전자 구속력이 있는 '퀀텀닷'을 결합하는 혼합차원 이종구조를 활용했다.
그래핀은 1나노미터(nm) 보다도 얇은 원자층으로 이뤄져 있고, 표면이 화학적으로 매우 안정적이어서 에너지 손실이 적은 고효율 재료다. 또 퀀텀닷은 이름처럼 점과 같은 작은 크기로 많은 전자를 효과적으로 가두는 것이 가능해 발광효율이 높다.
연구진은 분자 단위로 초정밀 합성이 가능한 분자빔 성장 방법(분자빔 에피택시, MBE)으로 매우 급격한 계면을 갖는 고품질의 막을 만들었다. 분자빔 에피택시는 두께와 도핑, 구성을 조절할 수 있어 정교한 전자적, 광전자적 디바이스의 제작에 활용되고 있다. 이를 통해 2차원, 1차원, 0차원의 전자 상태를 갖는 양자 우물 층, 양자 와이어, 양자점과 같은 이종 구조를 만들 수 있다
이렇게 만든 그래핀-퀀텀닷 혼합차원 소재를 광루미네선스(PL)로 분석한결과, 기존 소재 대비 최대 8배까지 발광효율이 증가했다.
또한 그래핀과 퀀텀닷의 거리가 가까울수록 서로의 상호작용이 강해져 발광효율 향상 효과는 더욱 커졌다. 실제 그래핀과 퀀텀닷의 거리를 50㎚(나노미터)에서 10㎚로 줄였을때 발광효율이 80%에서 최대 800%까지 향상됐다. 이는 광전하 재결합이 촉진되고 전자를 운반하는 캐리어의 수명이 증가해 발광 효율이 더욱 향상됐다.
한편, 연구진은 이번에 개발한 발광 소재를 나노분야 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)'에 발표했다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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