Center for Relativistic Laser Science

조민행 IBS 연구단장 연구팀, 양자점 디스플레이(QLED) 효율 높일 방법 찾아

나노 구조 도입해 '오제 재결합' 현상 억제

양자점의 엑시톤이 만들어내는 전이 쌍극자 모멘트가 연구진이 도입한 나노 구조에 의해 발생한 영상 쌍극자와의 상호작용 결과 감소하여, 오제 재결합이 억제된다. (그림제공=IBS)

[뉴스웍스=문병도 기자] 조민행 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단장 연구팀이 양자점 디스플레이(QLED) 등 양자점을 활용하는 광전소자의 발광효율을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 양자점은 지름이 수 나노미터 수준인 반도체 입자다. 입자 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 광학적 성질을 지녀 QLED 등 다양한 광전소자로 응용되고 있다. 양자점과 같은 반도체는 전자가 존재할 수 있는 두 개의 밴드를 갖는다. 전자가 차 있는 아래쪽의 밴드를 '가전자대', 전자가 비어있는 위쪽 밴드를 '전도대' 그리고 이 둘 사이의 에너지 차이를 밴드갭이라 부른다.

밴드갭보다 큰 외부 에너지를 받으면 가전자대에 있던 전자는 전도대로 들뜨게 된다. 이때 전자가 사라진 빈자리를 정공이라 하며, 정공은 전도대로 올라간 전자와 쌍을 이뤄 엑시톤이라는 준입자를 형성한다. 엑시톤은 시간이 흐르면 에너지를 잃으며 정공과 재결합한다. 전자가 공급받았던 에너지를 다시 빛의 형태로 외부로 방출하는 것이 우리가 관찰하는 QLED 등 광전소자의 빛이다.

문제는 모든 엑시톤이 이상적으로 빛을 방출하지는 않는다는 것이다. 양자점 물질의 특성에 따라 엑시톤의 재결합은 다른 과정을 통해 일어나기도 한다. 대표적인 현상이 두 개 엑시톤의 상호작용으로 인해 발생하는 '오제 재결합' 현상이다. 오제 재결합은 전자와 정공이 결합할 때 빛이 외부로 방출되지 않고 주변에 있는 다른 엑시톤에 에너지를 전달하는 현상이다. 빛이 밖으로 나오지 않기 때문에 양자점을 기반으로 하는 광전소자, 특히 디스플레이의 효율을 향상시키는데 큰 걸림돌이 되고 있다.

연구진은 크기 100나노미터 이하의 박막으로 만들어진 양자점을 메타물질 나노구조 위에 제작하여 오제 재결합 현상을 탐구했다. 이 과정에서 수 피코 초(ps‧1조 분의 1초) 수준의 매우 짧은 시간에 일어나는 오제 재결합 현상을 관측했는데, 나노구조로 인해 오제 재결합 현상이 억제된다는 것을 발견했다. 연구진은 나노구조가 오제 재결합 현상을 억제하는 메커니즘도 규명했다.

조민행 단장은 "양자점 내부에서 빈번히 발생하는 오제 재결합 현상을 나노구조를 통해 제어할 수 있음을 최초로 증명했다"며 "외부 구조를 도입해 비복사과정 중 하나인 오제 재결합을 억제 할 수 있어 광전소자의 효율 향상에 기여할 것"이라고 말했다. IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 높은 시간 및 공간 분해능을 가지는 새로운 분광학 및 이미징 방법을 개발하고 화학 반응 및 생물학적으로 중요한 분자 시스템에 응용하는 연구를 수행하고 있다. 나노 미터 크기의 작은 분자는 질량이 작기 때문에 상상하기 어려울 정도로 빠른 속도로 움직인다. 연구단에서는 극히 짧은 펄스 형태의 레이저 빛을 이용하여 분자의 움직임을 포착하는 방법에 대해 연구하고 있다. 높은 공간적 해상도를 가지는 이미징 측정 및 현미경 기술의 개발 역시 관심을 갖고 있다.

교신 저자인 조민행 연구단장은 고려대 화학과 교수로 재직중이다. 서울대 화학과에서 학사와 석사학위를 받고 미국 시카고 대에서 물리화학 박사학위를 받았다. MIT에서 박사후 연구원으로 일했다. 2005년 네이처에 발표한 논문이 미국화학회 '올해의 연구'로 선정됐으며, 지난해 발표한 입자-파동 상보성에 대한 정량적 연구 논문이 피직스 월드에서 발표한 10대 '브레이크스루'로 선정됐다. 현대적인 초고속 분광기의 모형을 구축하고 새로운 분광학적 방법을 증명했다. 양자역학적 원리에 기반을 둔 광화학 분야부터 분광학 실험으로 연구의 지평을 넓혀간 선도적인 연구자로서 인정받고 있다. 교신저자인 정광섭 연구위원은 고려대 화학과 부교수로 재잭중이다. 고려대 화학과 학사학위, 펜실베이니아 주립대에서 물리학과 박사학위를 받고 시카고 대에서 박사후 연구원으로 일했다. 연구결과는 광학 분야 국제학술지 '어드밴스드 옵티컬 머터리얼스'에 지난해 12월 23일자 온라인 판에 게재됐다.

조민행(왼쪽부터) 연구단장, 정광섭 연구위원, 이광진 연구원 (사진제공=IBS)