기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 화학과 교수)팀이 양자점 디스플레이(QLED)를 비롯한 양자점 활용 광전소자의 발광효율을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 제시했다고 5일 밝혔다.
양자점은 수 나노미터(㎚) 수준 반도체 입자다. 입자 크기에 따라 다른 주파수 빛을 방출한다. QLED 등 다양한 광전소자로 응용된다.
전자가 존재할 수 있는 두 개 밴드를 갖는다. 전자가 차 있는 아래쪽 밴드가 '가전자대', 전자가 비어있는 위쪽 밴드가 '전도대'다. 이 둘 사이 에너지 차이를 밴드갭(Band Gap)이라 부른다. 밴드갭보다 큰 외부 에너지를 받으면 가전자대에 있던 전자는 전도대로 들뜨게 된다.
이때 전자가 사라진 빈자리인 정공(hole)은 전도대로 올라간 전자와 쌍을 이뤄 엑시톤(exciton)이라는 준입자를 형성한다. 엑시톤은 시간이 흐르면 에너지를 잃으며 정공과 재결합한다. 전자가 공급받았던 에너지를 빛 형태로 방출하는 것이 우리가 관찰하는 QLED의 빛이다.
그러나 모든 엑시톤이 이처럼 빛을 방출하지는 않는다. 엑시톤 재결합은 다른 과정을 통해 일어나기도 한다. 대표적인 현상이 두 개 엑시톤의 상호작용으로 발생하는 '오제 재결합' 현상이다. 이는 전자와 정공이 결합할 때 빛이 외부로 방출되지 않고 주변의 다른 엑시톤에 에너지를 전달하는 현상이다. 빛이 방출되지 않아 디스플레이 효율 향상에 장애가 된다.
연구진은 크기 100㎚ 이하 박막으로 만들어진 양자점을 메타물질 나노구조 위에 제작, 오제 재결합 현상을 탐구했다. 이 과정에서 수 피코 초(ps·1조 분의 1초) 수준의 매우 짧은 시간에 일어나는 오제 재결합 현상을 관측, 나노구조로 인해 오제 재결합 현상이 억제된다는 것을 발견했다.
관련 메커니즘도 규명했다. 보통 오제 재결합은 전이 쌍극자(크기가 같은 양과 음의 전하가 서로 떨어져 있는 전하 배열) 모멘트 값이 클수록 활발히 일어나고, 쌍극자 근처에 금속이 존재할 경우 영상 쌍극자가 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 비복사과정 중 하나인 오제 재결합을 억제할 수 있어 광전소자의 효율 향상에 기여할 것”이라고 말했다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
