▲ 황화아연 나노결정을 기반으로 성장한 단층의 인화갈륨 구조(출처: 한국연구재단, KAIST 정연식 교수)

국내 연구팀이 발광소재 합성의 새로운 전략을 제시해 발광다이오드, 디스플레이 반도체 등에 우수한 성능의 발광소재를 사용할 수 있을 전망이다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 KAIST 정연식 교수, KIST 김동훈 박사, 동국대 최민재 교수로 구성된 공동연구팀(제1저자 신홍주 박사, 홍두선 박사)이 황화아연(ZnS)을 핵으로 사용해 극도로 얇은 인화갈륨(GaP)을 형성함으로써 기존 기술로는 어려웠던 GaP의 직접 전이 밴드갭(band gap)을 구현했다고 21일 밝혔다.

인화갈륨(GaP)은 차세대 화합물 반도체 분야와 고효율 발광 소재로 잠재력이 높은 소재다. 하지만 전자가 간접적인 경로를 통해 에너지 레벨을 바꾸는 간접 전이 밴드갭 구조로 인해 발광 소재로는 활용도가 낮았다.

GaP 나노입자를 합성해 직접 전이 밴드갭을 구현하려는 연구가 수십 년간 있었지만 발광 효율이 낮고, 1나노미터(nm) 미만의 매우 작은 크기가 요구돼 실험적 증명도 어려웠다.

공동연구팀은 일반적인 초미세 반도체 입자(퀀텀닷)와는 다른 접근을 통해 인화갈륨(GaP)의 직접 전이 밴드갭 전환을 구현해 냈다.

먼저 GaP와 결정 구조와 크기가 거의 동일하면서 GaP에 의한 발광을 방해하지 않을 물질로 황화아연(ZnS)을 선정했다. 특히 g퀀텀닷과 다른 에너지 구조를 갖는 퀀텀셸(얇은 껍질) 형태로 매우 얇은 GaP 반도체 입자를 합성했다.

이 합성 방식은 반도체 분야에서 사용되는 원자층 증착법과 에피텍셜 성장의 원리를 콜로이달 합성에 접목, ZnS 나노결정 위에 단일원자층 GaP를 성장시켜 퀀텀셸을 만들어냈다. 이를 통해 GaP의 직접 밴드갭으로의 전환이 가능해졌고, 그 결과 45.4%의 높은 효율로 보라색 빛을 강하게 방출하는 특성을 확인했다.

뿐만 아니라 별도의 보호층 없이도 200일 이상 발광 효율의 감소 없이 우수한 성능이 유지되는 높은 안정성을 보였다.

정연식 교수는 “본 연구는 이종 소재 간의 상호작용을 통한 발광소재 합성의 새로운 전략을 제시하는 것”이라며 “차세대 화합물 반도체 분야 및 광전자, 광학 분야에서 많은 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.