‘팝콘’ 구조 퀀텀닷…발광 강도 기존보다 21배 높아
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‘팝콘’ 구조 퀀텀닷…발광 강도 기존보다 21배 높아
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.09.30 13:51
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카이스트 연구팀 개발, 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 높일 수 있어
무작위로 뒤엉킨 미세한 공극들은 입사광, 방출광과 고분자 매질의 극대화된 상호작용(노란색 화살표)을 유도한다. 결과적으로 높은 광흡수도, 광추출도의 증대효과를 발생시킨다. [사진=카이스트]
무작위로 뒤엉킨 미세한 공극들은 입사광, 방출광과 고분자 매질의 극대화된 상호작용(노란색 화살표)을 유도한다. 결과적으로 높은 광흡수도, 광추출도의 증대효과를 발생시킨다. [사진=카이스트]

국내 연구팀이 속이 빈 ‘팝콘’ 구조를 본뜬 퀀텀닷 나노복합 소개를 개발했다. 순수 퀀텀닷 필름보다 발광 강도가 21배 높아 앞으로 디스플레이 원가 경쟁력에 도움이 될 것으로 기대된다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 정연식 교수, 전덕영 교수, 전기 및 전자공학부 장민석 교수 공동 연구팀이 팝콘처럼 내부에 공기주머니가 가득한 고분자 매질과 퀀텀닷이 융합된 새로운 발광 소재를 개발하는 데 30일 성공했다.

연구팀은 이 기술을 활용해 퀀텀닷의 광 발광(Photoluminescence) 특성이 순수 퀀텀닷 필름과 비교해 최대 21배까지 증가하는 것을 확인했다. 수년 전 국내 대기업이 퀀텀닷 LED TV를 출시하고 차세대 퀀텀닷 올레드(OLED) TV 출시를 발표했다. 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐다. 일반적으로 순수 퀀텀닷 필름은 광흡수도와 광추출도가 높지 못하다. 인접한 퀀텀닷 간의 상호작용으로 광 효율이 매우 낮아지는 문제가 있었다.

문제 해결을 위해 공동 연구팀은 블록공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅해 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리했다. 이후 수분을 빠르게 증발시키면서 형성되는 미세한 공극 구조에 퀀텀닷이 고르게 배열된 소재를 개발하는 데 성공했다. 마치 옥수수를 가열하면 내부 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속이 빈 팝콘 구조가 형성되는 원리와 비슷하다.

연구팀은 이 다공성 고분자 매질을 활용하면 빛과 고분자 매질 상호작용이 극대화돼 퀀텀닷 복합소재 광흡수도와 광추출도가 각각 4~5배씩 증가하는 것을 발견했다. 블록 공중합 고분자는 수 나노미터(nm) 크기의 상분리 구조를 스스로 내부에 형성해 퀀텀닷 입자들을 고르게 분산시켜 줌으로써 퀀텀닷 간 상호작용에 의한 발광 강도 감소 현상도 크게 낮춰 준다.

연구팀은 이번 연구 결과를 청색 LED 발광 소재로 적용했을 때 순수 퀀텀닷 대비 7배 이상의 발광 강도 향상, 45% 이상의 내구도 향상 효과가 있음을 확인했다. 차세대 마이크로 LED 디스플레이로 적용 가능성을 높였다. 이번 기술은 국내 특허로 등록됐으며, 미국 등 해외 특허 심사 중이다.

정연식 교수는“개발한 복합소재 매질은 가시광 전 파장 범위에서 발광 강도 증대 효과가 있어 퀀텀닷 이외에도 다양한 발광 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”며 "이 기술을 활용하면 값비싼 발광 소재를 적게 사용하고도 우수한 발광 특성을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 향상에 이바지할 수 있다”고 말했다.

김건영, 김신호, 최진영 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 화학회가 발간하는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 9월 3일 자 온라인판(논문명: Order-of-Magnitude, Broadband-Enhanced Light Emission from Quantum Dots Assembled in Multiscale Phase-Separated Block Copolymers)에 실렸다.

 

정종오 기자  science@greened.kr

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