“그래핀+퀀텀닷 결합했더니” AR·VR 디스플레이 전력사용 확 낮췄다

- KIST 연구진, 혼합차원소재 개발로 상온 발광효율 8배 증가

2차원소재인 그래핀과 0차원소재인 퀀텀닷을 융합한 혼합차원소재. 퀀텀닷은 분자빔성장을 통해서 합성된다. 화학기상증착법을 통해서 합성된 그래핀은 전사되어 퀀텀닷 소재와 융합된다. 그림에서 보듯이 그래핀이 융합된 퀀텀닷은 그렇지 않은 퀀텀닷과 비교해서 높은 발광효율을 보여준다.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 최근 증강현실(AR) 및 가상현실(VR) 용 헤드마운트 디스플레이, 스마트 워치 등 차세대 전자제품에 사용되는 LED의 해상도를 높이기 위해 점점 작은 발광소자가 개발되고 있다. 하지만 소자의 크기가 작아질수록 부피 대비 표면적이 늘어나기 때문에 표면에서 손실되는 전자들이 많아지면서 발열이 발생하고 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.

한국과학기술연구원(KIST)은 광전소재연구단 정대환 박사팀이 2차원 소재인 그래핀과 0차원 소재인 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)을 결합한 혼합차원소재를 개발, 상온 발광효율이 8배까지 증가된 발광 소재를 개발했다고 밝혔다. 그래핀은 1 나노미터(nm) 보다도 얇은 원자층으로 이루어져 있으면서 표면이 화학적으로 매우 안정적이기 때문에 에너지 손실이 적어 고효율 재료로 사용될 수 있다. 퀀텀닷은 이름처럼 점과 같은 작은 크기로 많은 전자를 효과적으로 가두어둘 수 있으므로 발광효율이 높다.

혼합차원 이종구조는 여러 차원의 나노소재에서 나타나는 특성들을 결합해 새로운 물성을 나타낼 수 있기 때문에 최근 광검출기, LED, 레이저 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. KIST 연구팀은 고효율 발광 특성을 얻어내기 위해, 그래핀의 2차원 소재에 대한 표면 안정성과 퀀텀닷의 전자 구속력 특성을 결합한 혼합차원 이종구조를 활용했다. 연구팀은 분자 단위로 초정밀 합성이 가능한 분자빔 성장 방법을 이용해 0차원 구조를 가진 그래핀-퀀텀닷 혼합차원 소재를 합성하고, 개발한 혼합차원 소재를 광루미네선스로 분석해 발광효율이 기존 연구결과 대비 최대 8배까지 증가한 것을 확인했다. 이러한 발광효율 향상 효과는 그래핀과 퀀텀닷의 거리가 가까울수록 서로의 상호작용이 강해져 더욱 커졌다.

정대환 박사는 “이번 연구성과는 마이크로 LED와 같이 발광소자의 크기가 작아질수록 소자 효율이 줄어드는 스케일링(scaling) 문제점의 한계를 극복하는 방안이 될 것”이라며 “디스플레이 소비전력을 획기적으로 낮추어 글로벌 에너지 절감에 기여하는 소재로 개발이 기대된다”고 설명했다.

이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스’에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com