서울대 공대는 화학생물공학부 차국헌 교수, 전기정보공학부 이창희 교수, 화학부 이성훈 교수의 공동연구팀이 고휘도, 고효율의 친환경 양자점 LED(Light Emitting Diodes, 발광소자)를 세계 최초로 구현했다고 16일 밝혔다.

차 교수는 “양자점의 뛰어난 광학적 특성에도 불구하고 중금속과 관련한 환경 문제로 인해 양자점 LED를 상업화하는 데 어려움이 많았다”며, “이번 연구를 통해 양자점 기반의 차세대 총천연색 디스플레이, 고효율 조명, 또는 레이저 등을 실제적으로 상업화할 수 있는 길을 열었다”고 전했다.

지금까지 양자점 LED 연구는 주로 카드뮴 화합물을 이용한 양자점을 이용해 이뤄져 왔으나, 환경과 인체에 유독한 카드뮴은 전세계적으로 사용이 엄격히 제한돼 있어 양자점 LED를 상용화 하는 데 커다란 걸림돌이 되어 왔다. 또 이를 대체하는 소재인 인화인듐(InP) 역시 양자점을 합성한 사례가 드물고 발광소자에 적용하더라도 그 효율이 매우 낮았다.

이에 반해 서울대 공동연구팀이 개발한 양자점 LED는 핵심 소재인 콜로이드 양자점 내부에 전자와 홀을 직접 주입, 결합시켜 빛을 만들어내는 방식을 채택했다. OLED(Organic Light Emitting Diodes, 유기발광소자)에 비해 더욱 우수한 색순도와 효율을 지닌 총천연색 디스플레이를 제작할 수 있다는 게 강점이다.

연구팀은 인화인듐 기반의 친환경 양자점을 합성하고 이에 최적화된 LED 구조를 고안하는 방향으로 연구에 착수했다. 약 1.1나노미터(1나노미터=10-9m) 크기의 인화인듐 핵에 아연, 셀레늄, 황의 합금(ZnSeS)으로 이뤄진 1.7나노미터의 껍질을 둘러쌓음(InP@ZnSeS)으로써 높은 효율을 지닌 친환경 양자점을 합성하는 데 성공한 것이다.

이를 토대로 전자와 홀 주입이 최적화된 다층소자구조에 친환경 양자점을 적용했으며, 그 결과 높은 최대발광효율(3.46%)과 최대밝기(녹색, 3,900nit)를 지니는 친환경 양자점 LED를 유연성 기판 상에 구현하는 데 성공했다. 특히 이번 연구는 양자점 LED의 효율 문제에 이어 환경문제를 해결한 또 하나의 쾌거라고 평가 받고 있다.

이 연구결과는 해외에서도 주목 받아 지난달 미국화학회지의 저명한 나노과학학술지인 ACS Nano지에 게재됐다. 서울대 공동연구팀은 이미 2012년 양자점을 발광체로 도입한 고효율의 적•녹•청색의 고효율 LED를 개발해 국내외 각종 매체에 소개된 바 있다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 창의적연구지원사업, 세계수준의 연구중심대학 육성사업, 기후변화대응기술개발사업, 그리고 산업통상자원부가 지원하는 고성능(이동도 50 cm2/Vs 이상) 황 화합물계 반도체 백플레인 및 카드뮴이 없는 고효율(발광효율 30 cd/A 이상) 유무기 하이브리드 EL 소재/소자 원천 기술개발사업의 지원으로 진행됐다.