[기계신문] 최근 금속 도체 성질을 갖는 그래핀이 반도체 입자인 퀀텀닷처럼 디스플레이 소자 광원으로 쓰일 수 있다는 사실이 입증됐다. UNIST 화학과 신현석 교수팀이 그래핀과 ‘화이트 그래핀’으로 불리는 육방정계 질화붕소 경계면에서 청색 발광 현상을 최초로 발견한 것이다.
또 ‘그래핀 퀀텀닷’을 이용한 유연 발광소자 제작에도 성공해 그래핀의 디스플레이 광원으로써의 잠재력을 선보였다. 연구팀은 경계면의 밀도(발광 강도)를 높이기 위해 20nm 이하의 그래핀이 배열된 질화붕소 막을 쌓는 방식을 썼다.
탄소 원자 단층 두께인 2차원 신소재 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 높은 열전도도와 투명도 덕분에 차세대 전자소재로 주목 받고 있지만, 금속처럼 ‘에너지 띠 틈(energy bandgap)’을 가지고 있지 않아 발광소재로 활용하는 데 어려움이 있다.
육방정계 질화붕소는 탄소로 구성된 그래핀과 유사하게 붕소와 질소 원자가 벌집 모양으로 연결된 2차원 소재로, 전기가 잘 통하는 그래핀과 달리 전기가 통하지 않는 절연성을 나타낸다고 알려져 있다.
유사한 결정 구조를 가지고 있는 그래핀과 육방정계 질화붕소를 활용한 2차원 평면 복합체는 순차적 성장법, 선택적 치환 반응으로 제조됐다. 이러한 평면 복합 구조 내에서 두 물질의 계면에 대한 이론적 연구는 활발히 보고되었지만, 실험적으로 계면을 분석하는 것은 극히 어렵고, 이러한 이유로 지금까지 계면에 대한 연구가 많이 미흡한 상황이었다.
연구팀은 그래핀과 육방정계 질화붕소 계면에서 푸른빛 나오는 현상 발견하고, 이를 응용한 발광소자(광원)을 제작했다. 연구팀은 20nm 이하 크기 이하의 그래핀 입자(그래핀 퀀텀닷)가 심어진 질화붕소 막을 수직으로 쌓는 방식을 써 발광 강도를 높였다. 그래핀뿐만 아니라 그래핀과 육방정계 질화붕소도 유연한 소재라 접히거나 굽혀지는 디스플레이 소자를 만들 수 있다.
김광우 UNIST 박사는 “그동안 이론적으로만 존재 가능성이 점쳐졌던 두 물질 계면의 발광 현상을 처음으로 발견했다”며 “유사한 결정 구조를 갖는 그래핀과 육방정계 질화붕소로 이뤄진 2차원 물질 복합체를 제조할 수 있는 기술을 보유하고 있었던 덕분”이라고 설명했다.
연구팀은 발광현상의 원인도 찾아냈다. 원래 반듯한 육각형 모양이던 두 물질의 구조가 경계면에서 5각형, 7각형 모양으로 바뀐 전자현미경 관찰 결과를 토대로 물질 내 전자의 에너지를 분석했다. 그 결과 전자가 경계면에 집중되면서 새로운 에너지 준위가 만들어진 것이 발광 현상의 원인이라는 결론을 얻었다.
신현석 교수는 “이번 연구는 전도체인 그래핀과 부도체인 질화붕소의 계면이 광원소재로 활용될 수 있음을 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이러한 2차원 복합체 기반의 광센서나 LED와 같은 광전자소자를 구현함으로써 유연 디스플레이 산업 발전에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
KAIST 전석우 교수, 서울대 손병혁 교수 팀이 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부 전략과제, 기초연구실지원사업, 글로벌프런티어사업(나노기반 소프트 일렉트로닉스연구)의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월 23일자 온라인으로 공개됐다.
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