금속 도체 성질을 갖는 그래핀이 반도체 입자인 퀀텀닷처럼 디스플레이 소자의 광원으로 쓰일 수 있다는 사실이 울산과학기술원(UNIST) 연구팀에 의해 입증됐다.
울산과기원은 화학과 신현석 교수팀이 그래핀과 ‘화이트 그래핀’으로 불리는 육방정계 질화붕소 경계면에서 청색 발광 현상을 최초로 발견했다고 28일 밝혔다.
또 ‘그래핀 퀀텀닷’을 이용한 유연 발광 소자 제작에도 성공했다.
그래핀은 탄소 원자가 육각형 모양으로 이어진 얇은 막으로, 강하고 유연할 뿐만 아니라 열·전기 전도도까지 높아 꿈의 물질로 불린다.
다양한 산업 분야에서 그래핀 연구가 활발하지만, 색상을 구현하는 디스플레이 소자의 발광 물질로 연구된 적은 드물다.
그래핀은 ‘에너지띠 틈'(energy bandgap)이 없다는 독특한 물리적 특성을 보이는데, 에너지띠 틈 크기가 물질이 내는 빛 색깔을 결정하기 때문이다.
연구팀은 그래핀과 육방정계 질화붕소 계면에서 푸른빛이 나오는 현상을 발견하고, 이를 응용한 발광 소자를 제작했다.
연구팀은 20㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1ｍ) 이하의 그래핀 입자(그래핀 퀀텀닷)가 심어진 질화붕소 막을 수직으로 쌓는 방식을 써 발광 강도를 높였다.
연구팀은 발광 현상의 원인도 찾아냈다.
투과 전자 현미경 분석법으로 그래핀과 질화붕소 사이 계면의 원자 구조를 관찰했고, 그 결과 6각형 구조가 아닌 5·7각형이 혼재된 무질서한 원자 배일이 확인됐다.
이 구조를 시뮬레이션 계산한 결과, 전하가 무질서한 배열로 집중되면서 새로운 에너지 준위가 형성돼 청색 발광 특성이 나타나는 것임을 확인했다.
신 교수는 “이 연구는 전도체인 그래핀과 부도체인 질화붕소의 계면이 광원 소재로 활용될 수 있음을 보여줬다는 점에서 큰 의미가 있다”고 말했다.
이번 연구에는 한국과학기술원(KAIST) 전석우 교수, 서울대 손병혁 교수팀 등이 참여했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스'(Nature Communications)에 23일 자로 온라인 공개됐다.
연구는 과학기술정보통신부 전략 과제, 기초연구실 지원 사업, 글로벌 프런티어 사업 지원을 받아 이뤄졌다.