• 최종편집 2024-03-28(목)
 

- 발광다이오드(LED), 자동차, 카메라 등 다양한 산업 전반에서의 활용 기대

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장직무대행 윤석진) 전북분원(분원장 홍재민) 복합소재기술연구소 기능성복합소재연구센터 책임연구원 손동익 박사팀은 축구공 모양의 물질인 풀러렌(C60, C70) 탄소나노구조체를 양자점-복합구조체로 합성, 이를 빛이 다색으로 발생하게 하는 백색 발광 양자점 발광소자(LED)로 제작한 최초 연구 보고를 하였다고 밝혔다.

*양자점 발광소자(LED): 발광하는 반도체 물질을 양자점을 사용하는 경우 양자점 발광 다이오드(Quantum Dot Light Emitting Diodes, QD LED)라고 명명한다.

 

연구를 통해 제작된 발광소자는 가파른 증가추세에 있는 디스플레이 시장의 수요에 부응할 수 있을 것으로 기대될 뿐만 아니라, ‘탄소융복합산업 생태계 구축’이라는 전라북도의 목표와 부합하는 연구성과라는 점에서 시사하는 바가 크다.

 

탄소나노물질에는 그래핀, 탄소나노튜브, 풀러렌 등이 있는데 이들은 뛰어난 강도, 열전도율, 전자이동도등의 우수한 특성을 가지고 있어서 많은 관심을 끌고 있다.

 

또한 디스플레이, 2차 전지, 태양전지, 자동차, 조명 등 다양한 산업에 적용하기 위한 많은 연구가 진행되고 있어서 핵심소재로서 주목을 받고 있다.

 

*탄소나노물질(Carbon nanomaterials): 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene)의 종류를 가지는 나노소재물질

 

플러렌은 축구공을 1억분의 1크기로 축소시킨 모양의 물질으로 지름이 약 7Å***인데, 종류에 따라 C60, C70, C76, C78, C84 등 그 명칭이 다르다.

 

옹스트롬 (스웨덴어: Ångström, 기호: Å)은 길이의 단위로써 10-10 미터 또는 0.1nm를 나타낸다.

 

풀러렌은 1985년 발견 이래 섬유 또는 각종 센서에 활용되고 있으며, 컴퓨터 메모리 소자부터 우주항공, 환경 분야 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 차세대 소재로서 기대되고 있다.

 

본 연구에서는 풀러렌 C60, C70을 산화아연 양자점과 합성해, 세계처음으로 풀러렌의 의해서 빛이 발생하는 백색 발광 가능한 양자점 발광소자를 제작하는데 성공하였고, 관련 메커니즘에 대한 원리를 규명했다.

 

KIST 손동익 박사 연구팀은 풀러렌에 의한 발광 메커니즘을 확인하기 위해 컴퓨터 계산 모델링을 활용해 다양한 측정 실험값을 비교하는 등 다양한 분석법을 통해 그 현상을 관찰했다. 이를 통해 전압에 변화에 따른 다색 발광(파란색, 초록색)이 발생하는 원인을 확인했다.

 

KIST 손동익 박사는 “본 연구성과를 바탕으로 차세대 발광소자 기술 발전에 기여하는 것을 목표로 하고 있으며, 도내 탄소 및 LED 관련 기업들과의 협업을 통해 상용화에도 힘쓸 예정이다.”고 말했다.

 

본 연구는 KIST 기관고유연구사업과 한국연구재단 중견연구사업에서 지원을 받아 수행했다. 이번 연구 성과는 소재/소자분야의 권위지인 머테리얼즈 호라이즌즈 (Materials Horizons)에 2020년 4월 22일에 온라인판으로 게재됐다.

 

*[논문명] Direct Conjugation with Zero Length Linker of Fullerene C70 to ZnO Quantum Dots for Multicolor Light-Emitting Diodes

 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박영재 연구원

 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 심재호 연구원

 - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 이규승 연구원

 - (교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 책임연구원


용어 설명

1. 머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)

Royal Society of Chemistry에서 발행하는 재료과학 분야의 세계적인 권위의 학술지이다 (파급지수, IF=14.356, JCR: 5.631% 2019년).

 

2. 풀러렌

탄소 원자가 구, 타원체, 원기둥 모양으로 배치된 분자를 통칭하는 말이다. 주로 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 결합해 생긴 버크민스터풀러렌 (C60)을 말한다. 12개의 5원환과 20개의 6원환으로 이루어져 있으며, 각각의 5원환에는 5개의 6원환이 인접해 있다. 지름 약 1nm인 '나노의 축구공'을 형성하는데, 풀러렌이라는 명칭은 이 구조와 같은 모양의 돔을 설계한 미국의 건축가 버크민스터 풀러(B. Fuller: 1895~1983)의 이름에서 유래한 것이다. 버크민스터풀러렌 이외에 럭비공 모양의 C70이나, 보다 사이즈가 큰 C76, C78, C82, C90, C94, C96과 같은 고차 풀러렌도 존재한다.

 

3. 반도체 (Semiconductor)

상온에서 전기를 잘 통하는 금속과 잘 통하지 않는 절연체와의 중간 정도의 전기저항을 가지는 물질.

 

4. 양자점 발광소자(LEDs)

양자점 발광소자(Quantum dot Light-Emitting Diodes)는 스스로 빛을 내는 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점) 소자를 활용한 디스플레이입니다. 양자점 발광다이오드라고도 하며, 수명이 길고 색 재현율이 높아 차세대 디스플레이로 주목받고 있다. 여기서 퀀텀닷은 물질의 크기가 나노미터로 줄어들 경우 전기적·광학적 성질이 크게 변화되는 나노크기의 반도체입자를 말한다.

 

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축구공 모양의 물질인 ‘풀러렌’에서 빛을 보다
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