Research Overview
광전자나노소재연구실의 연구는 크게 세 가지로 나누어 볼 수 있습니다. 첫째로, 습식화학합성(Wet chemistry)을 통해 반도체 소재를 나노미터 크기로 합성하고 이의 조성, 형태, 나노구조를 제어함으로써 광전자소자의 기본 구성요소를 구현합니다 (Thrust 1). 둘째로, 반도체 나노입자의 표면화학(Surface chemistry)을 제어하고 유-무기 복합체를 제작함으로써 나노소재의 공정적합성 및 추가적인 기능을 부여합니다 (Thrust 2). 셋째로, 이상의 나노소재를 고효율의 광전자소자(Optoelectronic devices)로 구현하기 위한 소자제작공정을 고안하고 이의 광/전기적 특성을 다방면에서 접근합니다 (Thrust 3). 이상의 세 가지 연구방향은 소재와 소자 측면에서 각각의 독립성과 전문성을 가지고 있지만, 이들을 유기적/상호보완적으로 융합해 최종적으로 우수한 광전자소자를 구현하는 것을 본 실험실의 최종적인 목표로 삼고 있습니다.
Thrust 1. Wet chemistry of semiconductor nanocrystals (NCs)
반도체를 구성하는 양이온(예: Cd) 및 음이온(예: Se) 반응전구체, 그리고 계면활성제(예: 1가 아민, 카르복실산, 인산화합물 등)를 혼합한 뒤 고온에서 반응시키면 (예: 섭씨 200도 ~ 300도) 크기가 수 나노미터에서 수십나노미터에 이르는 반도체 나노입자를 얻을 수 있습니다. 반응조건을 조절함에 따라 그 크기와 형태를 왼쪽에서 보는 바와 같이 자유자재로 제어할 수 있습니다. 만들어진 결과물은 주로 용액상에 분산되어 있으며 실제 응용을 위한 정제, 표면처리, 그리고 박막공정 등을 거치게 됩니다.
반도체 나노입자의 크기가 특정 수준 이하로 작아지면(예: 엑시톤 보어 반지름), 괴상에서는 관측되지 않는 새로운 현상이 발견됩니다. 즉 이의 밴드갭(Band gap, 전자가띠와 전도띠 사이의 간격)이 크기가 작아질수록 증가합니다. 이는 '양자국한효과 (Quantum confinement effect)로 알려져 있으며, 반도체 나노입자의 독특한 성질 중 하나입니다. 이 현상을 활용하면, 하나의 소재로 크기를 바꿔가며 다양한 색상의 빛을 만들어내는 나노입자를 손쉽게 구현할 수 있습니다. 이와 같은 장점을 바탕으로, 구형의 반도체 나노입자(또는 양자점, quantum dots)를 차세대 디스플레이 또는 조명의 광소재로 도입하려는 연구가 학계 및 산업계에서 활발히 이루어지고 있습니다. 우리 연구실은 이상의 기초 원리를 바탕으로 고효율, 고색순도, 환경친화적인 차세대 발광체를 구현하는 연구를 수행합니다.
Thrust 2. Surface/interface chemistry
반도체 나노입자는 그 자체로 사용될 수 있지만, 이의 표면을 기능성 유기물 또는 무기물과 융합함으로써 다양한 특성을 추가적으로 부여할 수 있습니다. 극성/무극성, 전도성/비전도성의 분자 또는 고분자를 나노입자 상에 결합함으로써 나노입자 잉크의 점도와 용매를 제어할 수 있고, 이들을 박막으로 만들었을 때의 광학적/전기적 특성 또한 자유자재로 조절할 수 있습니다.
Thrust 3. Device fabrication and characterization
반도체 나노입자는 빛을 흡수해서 전기를 만들거나 전기로부터 빛을 만드는 등 빛에너지와 전기에너지간의 상호변환이 요구되는 다양한 분야에 적용할 수 있습니다. 대표적인 것이 구형 반도체 나노입자인 '양자점을 이용한 전기발광소자 및 디스플레이 기술'입니다. 양자점을 코어/껍질구조(core/shell heterostructures)로 제작해 효율을 높이고 이를 전하주입층 및 전하전달층 사이에 삽입하면 전기에너지를 주입해 빛 에너지를 구현할 수 있습니다. 양자점 코어의 크기와 조성을 정밀히 제어함으로써 우리는 기존 기술에서 미처 달성하지 못했던 매우 순수한 적, 녹, 청색을 구현할 수 있고, 이를 디스플레이를 구성하는 픽셀에 도입함으로써 차세대 디스플레이를 구현할 수 있습니다. 또는 다양한 색깔의 양자점을 섞어 백색광 조명을 구현하거나, 빛에너지를 자외선 대역으로 옮겨 매니큐어 건조, 세균 박멸등에 사용할 수 있는 자외선 조명도 만들 수 있습니다.
양자점을 사용한 차세대 디스플레이는 어떤 장점이 있을까요? 디스플레이가 만들어 낼 수 있는 색채는 삼원색의 조합으로 결정되며, 삼원색이 순수할수록 만들어 낼 수 있는 색상의 조합수가 증가합니다. 양자점은 기존 형광체 대비 아주 우수한 색순도를 가지고 있으며, 이를 바탕으로 한 디스플레이는 보다 사실적이고 생동감 넘치는 디스플레이를 만들어 낼 수 있을 것입니다.
광전자나노소재연구실에서 차세대 디스플레이 소재와 기술을 연구해보세요 :)