대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 양지웅 에너지공학과 교수팀이 박정원 서울대(총장 유홍림) 화학생물공학부 교수팀과 공동으로 반도체 양자 나노결정의 수분(물)에 의한 열화 메커니즘을 규명했다고 13일 밝혔다.
이번에 개발한 실시간 액상 투과 전자현미경 분석용 차세대 이미징 플랫폼을 이용해 열화 과정에서 존재하는 반응 중간체 및 원자 단위의 반응경로를 밝혀냄으로써 양자 나노결정 상용화에 한 걸음 다가서게 됐다.
반도체 양자 나노결정은 크기와 모양에 따라 달라지는 밴드갭, 높은 발광 효율, 좁은 발광 반치폭 등의 장점으로 바이오 이미징, 광전자 소자 및 촉매 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 하지만 벌크 반도체 결정보다 수분과 산소에 대한 안정성이 낮다는 단점이 있다.
이에 따라 수분과 산소에 영향을 받아도 높은 안정성을 가지는 반도체 양자 나노결정을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있지만, 외부 영향으로 인해 성질이 나빠지는 현상인 '열화' 메커니즘이 명확하게 밝혀지지 않아 개발에 어려움이 있다.
기존에는 열화 메커니즘을 밝히기 위해 분광 분석법, X선 산란 및 회절 분석법 등을 주로 사용했다. 이런 방법은 구조 변화의 평균적인 정보만을 제공해 수분에 의한 열화 과정에 대해 주로 나노결정의 광·물리적 특성의 변화만을 확인할 수 있었다.
연구팀은 개별 나노입자의 반응과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 액상 투과 전자현미경 분석법을 활용했다. 특히, 수분에 의한 열화 메커니즘을 밝히기 위해서는 반응제어 및 실시간 초고해상도 이미징이 동시에 가능한 액상 셀이 필요한데, 이를 위해 두 가지 기능을 동시에 갖춘 '그래핀 기반의 차세대 액상 셀'을 개발했다. 차세대 액상 셀은 매우 얇은 그래핀 분리막을 통해 두 가지 서로 다른 액체의 혼합을 제어할 수 있도록 디자인했다.
또 양자 나노 결정 중 대표적으로 그 합성법이 잘 알려진 '황화 카드뮴(CdS)'을 활용해 열화 메커니즘을 규명하기 위한 연구를 수행했다. 그 결과 'CdS' 반도체 나노결정은 열화 과정에서 Cd(OH)x로 이루어진 비정질 중간체를 형성하면서 분해되며, 비정질 중간체의 존재로 인해 기존에 연구된 금속 나노결정 분해 메커니즘과는 달리 반응 중간에 불규칙한 모양의 결정 표면구조로 나타나는 것을 확인했다.
양지웅 교수는 “그동안 반도체 양자 나노 결정의 상용화가 어려웠던 이유는 수분에 의한 열화가 중요한 요인이었다. 이번 연구를 통해 밝혀낸 열화 메커니즘이 앞으로 양자 소재 개발에 큰 도움이 되기를 기대한다”고 밝혔다.
삼성미래기술육성사업 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 나노과학분야 저명학술저널 'ACS Nano'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
