차세대 태양전지, 발광다이오드(LED), 근적외선 검출기 등에 적용 가능한 양자점을 안정화 시키는 기술이 국내 연구진에 의해 최초로 개발돼 양자점 소재 상용화가 앞당겨 질 전망이다.
미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택) 나노역학연구실 정소희 박사팀은 KAIST 이도창 교수, 김용현 교수팀과 함께 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 ‘멀티스케일에너지시스템연구단 (단장 최만수)’사업을 통해 셀레늄화납(PbSe) 양자점의 할로겐화합물 처리 기반 안정화 기술을 개발하는데 성공했다.
PbSe 양자점은 합성이 쉽고, 광전변환 특성이 우수해 차세대 태양전지 및 광검출기 등의 소재로 각광받고 있다.
그러나 대기안정성이 떨어져 실제 적용에 있어 많은 제약을 받아 왔다. 안정성이 낮은 것은 양자점 표면에서 드러나는 결정면이 산화되기 때문인 것으로 알려져 있으며, 연구팀은 선행 연구에서 양자점 크기가 클수록 대기안정성이 떨어진다는 점을 규명한 바 있다.
이번 연구에서 기계연-KAIST 공동연구팀은 박사과정 우주영씨가 주도적으로 참여한 가운데, PbSe 양자점 합성용액에 NH4Cl 등 할로겐화합물을 섞어주면 PbSe 양자점 표면 중 산화가 쉬운 결정면에 보호막을 형성하게 돼 양자점의 물리화학적 성질이 안정하게 유지된다는 점을 밝혔다. 이번 기술 개발을 통해 양자점 크기에 상관없이 대기안정성을 일정하게 유지할 수 있다는 점이 핵심이다.
연구팀은 이 같은 연구결과를 바탕으로 대기 중 안정성을 보유한 PbSe 양자점 기반 전계효과 트랜지스터(Field Effect transistor, FET)를 제작하기도 했다.
본 연구팀에서는 “양자점은 차세대 반도체 소자로 각광받고 있으나 안정성이 낮아 상용화에 어려움을 겪어왔다”며, “양자점의 형태가 대기안정성에 직접적인 영향을 준다는 점을 밝힌 선행 연구에 이어, 이번에 개발된 기술이 양자점의 안정성 문제를 해결함으로써 태양전지, LED를 비롯한 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 화학분야 최고 권위지인 「미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)」에 지난 6월 11일 게재돼 학계 및 산업계로부터 주목을 받고 있으며, 본 연구팀은 현재 미국 리뉴어블 에너지 연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory)와 후속 공동연구를 수행 중이다.
양현옥 기자
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