산화아연 양자점과 결합한 핵-껍질 구조 복합체 양자점으로 합성
다색 발광에 의한 백색 양자점 다이오드 소자로 제작
하이브리드 분석 장비로 다각적인 분석 체계 정립

한국조명ICT연구원(원장 임기성) 남부분원 박영재 빛융합연구팀 박사가 한국과학기술연구원(원장 이병권) 손동익 기능성복합소재연구센터 박사팀과 함께 풀러렌 물질에 의해 백색 발광이 가능한 양자점 발광소자(QDLED)를 구현하는데 성공했다.

연구팀은 축구공 모양의 풀러렌(C60, C70) 탄소나노구조체를 산화아연 양자점과 합성해 세계 최초로 관련 메커니즘에 대한 원리를 규명했다고 22일 밝혔다.

연구 결과는 소재‧소자분야의 저명한 학술지인 머티리얼즈 호라이즌즈(Materials Horizons) 온라인판에 22일에 게재됐으며, 오는 6월 내부 전면 표지 논문으로 발표될 예정이다.

탄소나노물질에는 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌 등이 있는데 이들은 뛰어난 강도, 열전도율, 전자이동도 등의 우수한 특성을 가지고 있어서 많은 관심을 끌고 있다.

또 디스플레이, 2차 전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있어 핵심소재로도 주목을 받고 있다.

그 중에서 플러렌은 축구공을 1억분의 1 정도로 축소시킨 모양이다. 축구공은 20개의 정육각형과 12개의 정오각형이 연결돼 있으며 정오각형은 서로 마주 닿지 않는다.

이 탄소 축구공은 지름이 약 7Å(0.7nm)다. C60 이외도 정오각형은 12개이지만 정육각형은 개수가 많아 탄소의 개수가 늘어난 C70, C76, C78, C84 등 다양한 종류를 가지고 있다.

풀러렌은 1985년 발견돼 지속적으로 개발된 이래로 여러 가지 금속원자를 섞어 도체 혹은 초전도체로 이용돼왔고 플러렌끼리 서로 연결해 새로운 섬유와 각종 센서로 응용할 수 있어 활용도가 점차 증가하고 있다. 고분자 촉매, 컴퓨터 기억 소자, 우주 항공, 환경 분야에서 혁신을 가져올 차세대 나노 소재로서 기대되고 있다.

연구팀은 풀러렌에 의한 발광 메커니즘을 확인하기 위해 컴퓨터 계산 모델링을 활용했으며, 다양한 구조적/광학적/전기화학적 분석법을 통해 그 현상을 관찰했다. 이를 통해 전압 변화에 따른 다색 발광(파란색, 초록색)이 발생하는 원인을 확인했다.

이번 연구를 통해 얻어진 풀러렌에 의한 백색 발광소자는 최근에 새롭고 친환경인 양자점 소재를 찾고 있는 시대적 흐름을 반영해 4차 산업혁명에 필요한 핵심기술인 광융합산업의 육성은 물론 미래신산업으로 성장하는 발판이 될 것으로 기대된다.

박영재 한국조명ICT연구원 남부분원 선임연구원(제1저자)은 “여러 종류의 풀러렌 물질을 사용해 발광 파장을 조절함으로써 여러 가지 색깔의 양자점 소자 제작이 가능할 것으로 예상되며 이를 구현하고 융합한다면 차세대 친환경 백색 양자점 발광 소자 기술 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업과 한국과학기술연구원 기관고유연구사업에서 지원을 받아 수행됐다.