한국연구재단은 한국과학기술원(KAIST) 이도창 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 배완기 박사와 함께 디스플레이 편광소재로 각광받는 반도체 ‘양자 나노막대’(이하 ‘양자막대’)의 성장 원리를 밝혀 성장속도를 제어했다고 밝혔다.

이번 연구는 ‘과학기술정보통신부’ ‘한국연구재단’ ‘나노소재기술개발사업 및 기초연구지원사업’(개인연구) 등의 지원으로 수행됐으며 논문은 나노소재 및 기술 분야 국제학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 11월 13일자에 게재됐다.

연구팀은 나노막대의 표면에 형성된 유기 ‘리간드’층에서의 ‘모노머’ 투과도 차이가 각 면의 성장속도에 직접적인 영향을 준다는 사실을 규명했다. 연구팀은 이를 통해 ‘코어/쉘’(core/shell) 양자막대에서 양쪽 방향 성장 속도를 제어하여 쉘 내부 코어의 위치가 양자막대의 대표적인 특성인 광학 편광의 ‘편광도’를 결정한다는 사실도 밝혀냈다.

연구팀은 대표적인 반도체 물질인 황화카드뮴(CdS) 나노막대의 성장을 추적했다. 먼저, 장축으로 두 개의 다른 직경을 갖는 나노막대 구조를 개발했다. 두 파트의 구분으로 양 말단의 성장속도를 수치화하여 성장속도를 결정하는 요인을 연구했다.

관찰 결과 높은 리간드 밀도를 갖는 두꺼운 막대 끝 표면에는 모노머의 접근이 어려워 성장속도가 감소한다는 것을 밝혀냈다. 반면, 얇은 파트는 유기리간드 밀도가 매우 낮아 모노머의 공급을 방해하지 못하기 때문에 리간드 길이에 무관히 항상 빠르게 성장함을 알 수 있었다.

연구팀은 이번 연구에서 도출된 양자막대의 성장제어 기술을 광학 편광 소재를 필요로 하는 디스플레이 제작에 적용하는 후속 연구로 발전시킬 예정이다.

이도창 교수는“이 연구는 편광소재로 주목 받고 있는 양자막대를 응용하는데 중요한 역할을 수행할 것”이라며“성장원리를 알 수 없어 어려웠던 양자막대 구조의 미세 설계와 특성강화 연구에 활력을 불러일으킬 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

■■ 용어

양자막대 : 직경방향으로 수 나노, 장축방향으로 수십 나노크기를 갖는 반도체 나노막대 입자.

유기 리간드 : 나노입자의 표면을 안정화시키기 위해 투입되는 계면활성제 분자들로, 계면활성제의 머리가 입자의 표면과 결합함으로써 표면에 리간드막을 형성.

모노머 : 결정성장을 위해 공급되는 기본단위의 재료.

코어/쉘(core/shell) 양자막대 : 구형 입자를 코어로 사용하여 그 위에 막대형의 껍질을 둘러싸게 한 구조.

편광도 : 방출된 빛의 전자기 파동이 얼마나 편광되어있나 나타내는 정도.