[대전=뉴스핌] 오영균 기자 = 카이스트(KAIST) 신소재공학과 정연식 교수·전덕영 교수·전기 및 전자공학부 장민석 교수 공동 연구팀이 강도와 내구성이 향상된 새로운 발광 소재를 개발하는데 성공했다고 30일 밝혔다.

새로 개발한 발광소재는 팝콘처럼 내부에 공기주머니가 가득한 고분자 매질과 퀀텀닷이 융합한 것으로 공동 연구팀은 순수 퀀텀닷 필름 대비 발광 강도 21배 이상·내구성은 45% 이상 높아진 것을 확인했다.

팝콘 형상의 퀀텀닷 나노복합 발광소재 이미지 [사진=카이스트]

그동안 국내 대기업이 퀀텀닷 LED TV와 차세대 퀀텀닷 올레드(OLED) TV를 출시하면서 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐다.

하지만 일반적으로 순수 퀀텀닷 필름은 광흡수도와 광추출도가 높지 않고 인접한 퀀텀닷 간의 상호작용으로 광효율이 매우 낮아지는 문제가 있었다.

공동 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 블록공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅해 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리했다. 이후 수분을 빠르게 증발시키면서 형성되는 미세한 공극 구조에 퀀텀닷을 고르게 배열한 소재를 개발하는 데 성공했다.

이는 옥수수를 가열하면 내부의 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속이 빈 팝콘 구조가 형성되는 원리와 유사하다.

연구팀은 이 다공성 고분자 매질을 활용하면 빛과 고분자 매질의 상호작용이 극대화돼 퀀텀닷 복합소재의 광흡수도와 광추출도가 각각 4~5배씩 증가하는 것을 발견했다.

또 블록 공중합 고분자는 수 나노미터(nm) 크기의 상분리 구조를 스스로 내부에 형성해 퀀텀닷 입자들을 고르게 분산시켜 줌으로써 퀀텀닷 간 상호작용에 의한 발광 강도 감소 현상도 크게 낮춰 준다.

연구팀은 이번 연구 결과를 청색 LED 발광 소재로 적용했을 때 순수 퀀텀닷 대비 7배 이상의 발광 강도가 향상되고 45% 이상의 내구도 향상 효과가 있음을 확인했다.

앞으로 차세대 마이크로 LED 디스플레이로 적용 가능성이 기대된다. 이번 기술은 국내 특허로 등록됐으며 미국 등 해외 특허 심사 중이다.

정연식 교수는 “개발한 복합소재 매질은 가시광 전 파장 범위에서 발광 강도 증대 효과가 있어 퀀텀닷 이외에도 다양한 발광 소재에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”며 “이 기술을 활용하면 값비싼 발광 소재를 적게 사용하고도 우수한 발광 특성을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 향상에 기여할 수 있다”고 말했다. 

gyun507@newspim.com