디스플레이용 발광 소재의 난제 해결
유기물·전이 금속 디칼코겐화물 이종구조를 통한 빠른 인광 구현
세계 저명 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 게재
▲(사진 왼쪽부터) 최진호 박사 (인하대), 김선국 교수 (성균관대), 박동혁 교수 (인하대), 김진상 교수 (University of Michigan)
박동혁 화학공학과 교수가 참여한 연구팀이 최근 디스플레이용 발광 소재의 난제를 해결할 수 있는 방법을 구현했다.
박동혁 화학공학과 교수가 교신저자로, 최진호 화학공학융합학과 박사가 공동저자로 참여한 연구팀은 유기물과 전이금속 디칼코게나이드(TMD)의 혼합을 통해 마이크로초 단위의 인광을 만들었다.
빠른 인광 특성이라는 것은 빛이 발광한 뒤 소멸까지의 수명 시간이 짧다는 것을 의미한다. 수명 시간이 길면 잔상이 생기기 때문에 디스플레이용 재료로 적합하지 않다.
현대 디스플레이 기술은 외부에서 주입되는 전자의 구성 중 25%에 해당하는 단일항 스핀의 전자와 75%에 해당하는 삼중항 스핀의 전자를 모두 사용한 것이 소자 효율의 핵심이다.
75%의 전자를 활용하기 위해선 발광 형태 중 형광과 인광 중 인광 소재가 중요한 역할을 한다. 순수 유기물 형태에선 상온에서 발현이 어렵고, 수명 시간이 길어 잔상이 생기기 때문이다.
그렇기에 현재 사용되는 디스플레이용 발광 재료는 백금, 이리듐과 같은 희귀 금속 원자가 결합된 형태의 유기금속착화합물 등으로 사용됐다. 하지만 유기금속착화합물은 합성이 어렵고 값이 비싸며, 유기·금속 결합의 특성상 수명이 짧다는 단점이 있다.
반면, TMD는 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루는 그래핀 이후 각광 받는 2차원 재료로 자연에서 발견되는 암석에서 얻을 수 있는 반도체 물질이다.
연구팀은 TMD의 무거운 전이금속이 유기물에 강한 스핀-궤도 상호작용을 유도해 순수 유기물의 단일항과 삼중항 상태 사이 전이 속도를 가속시킨다는 사실을 밝혔다.
연구팀이 관측한 마이크로초 단위의 인광 특성은 두 물질 간 화학적 결합 없이 물리적으로 가까운 거리에 인접하는 효과만으로도 상온에서 효과적인 것으로 알려졌다.
이 같은 현상은 기존 인광 소재가 가지는 긴 지속 시간으로 인한 잔상 문제를 해결할 수 있는 고효율 디스플레이 소재로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 다양한 TMD 물질에서도 비슷한 현상이 나타나는 것을 확인했다. 다양한 하이브리드 소재 개발에 활용될 수 있는 가능성을 본 것이다.
연구에서는 중금속을 사용하지 않았기 때문에 비교적 인체에 덜 유해하고, 일반적인 유기 인광 물질과는 달리 희귀 금속을 사용하지 않기 때문에 사회적·상업적으로 큰 의의를 가진다.
이러한 성과를 인정받아 연구팀의 연구는 최근 국제 저명학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재 승인됐다.
교신저자인 박동혁 화학공학과 교수는 “마이크로초 단위의 인광 소재의 발견은 고효율 디스플레이 소재로의 응용뿐 아니라 센서, 광통신 등 다양한 관련 분야로 적용할 수 있을 거라고 기대한다”며 “연구진과 함께 다양한 소재와의 조합 가능성을 확대하고 관련 응용 연구에서도 좋은 성과를 낼 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 미국 미시건대학 김진상 교수, 성균관대 김선국 교수 연구팀이 공동으로 진행했다.
▲발광 반도체의 단일항과 삼중항의 에너지 준위 상태 및 외부 전자 주입의 개념 모식도와 형광 인광의 측정 결과.
▲자외선 조명 아래 하이브리드 샘플(좌: 녹색 인광)과 기본 샘플(우: 청색 형광)의 발광 사진.