기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수) 연구팀은 양자점 디스플레이(QLED) 등 양자점(Quantum Dot)을 활용하는 광전소자의 발광효율을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다.

양자점은 지름이 수 나노미터(nm) 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 밴드갭(Band Gap)이라 부른다. 밴드갭보다 큰 외부 에너지(빛)를 받으면 가전자대에 있던 전자는 전도대로 들뜨게 된다.

이때 전자가 사라진 빈자리를 정공(hole)이라 하며, 정공은 전도대로 올라간 전자와 쌍을 이뤄 엑시톤(exciton)이라는 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 이처럼 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(Biexciton Auger Recombination)’ 현상이다.

오제 재결합은 전자와 정공이 결합할 때 빛이 외부로 방출되지 않고 주변에 있는 다른 엑시톤에 에너지를 전달하는 현상이다. 즉, 빛이 밖으로 나오지 않기 때문에 양자점을 기반으로 하는 광전소자, 특히 디스플레이의 효율을 향상시키는데 큰 걸림돌이 되고 있다.

지금까지 오제 재결합 현상을 억제하기 위한 많은 분광학 연구가 진행됐다. 하지만 기존 연구는 주로 양자점 자체의 구조적 특성을 변형하거나, 새로운 형태의 양자점 구조를 합성하는 방식으로 진행됐기 때문에 오제 재결합 현상 자체를 능동적으로 제어하지는 못했다.

연구진은 크기 100nm 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.

이어 연구진은 나노구조가 오제 재결합 현상을 억제하는 메커니즘도 규명했다. 일반적으로, 오제 재결합은 전이 쌍극자 모멘트¹⁾ 값이 클수록 활발히 일어나고, 쌍극자²⁾ 근처에 금속이 존재할 경우 영상 쌍극자³⁾가 생긴다. 연구진은 나노구조에 의해 형성된 영상 쌍극자가 양자점의 전이 쌍극자 모멘트와 상호작용을 통해 전체 전이 쌍극자 모멘트의 크기를 감소시키고, 그 결과 오제 재결합을 억제한다고 설명했다.

조민행 단장은 “양자점 내부에서 빈번히 발생하는 오제 재결합 현상을 나노구조를 통해 제어할 수 있음을 최초로 증명했다”며 “외부 구조를 도입해 비(非)복사과정 중 하나인 오제 재결합을 억제 할 수 있어 광전소자의 효율 향상에 기여할 것”이라고 말했다.

연구결과는 광학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼스(Advanced Optical Materials‧IF 9.926)’ 12월 23일자 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

[그림 1] 나노구조를 통한 오제 재결합 현상 억제 메커니즘
양자점의 엑시톤이 만들어내는 전이 쌍극자 모멘트가 연구진이 도입한 나노 구조에 의해 발생한 영상 쌍극자와의 상호작용 결과 감소하여, 오제 재결합이 억제되는 모습을 보여준다.

1) 전이 쌍극자 모멘트(transition dipole moment) : 양자역학적인 두 상태 간의 전이와 관련된 전기 쌍극자 모멘트. 이 양이 클수록 두 상태간의 전이가 활발하다.

2) 쌍극자(dipole) : 크기가 같은 양의 전하와 음의 전하가 일정거리 만큼 떨어져 있는 전하 배열.

3) 영상 쌍극자(image dipole) : 금속층 위에 쌍극자가 있을 때 금속에 의해 반대편에 생성되는 쌍극자, 금속에 의해 변화되는 전기장은 영상 쌍극자가 존재한다고 가정할 경우 형성되는 전기장의 변화와 일치한다.