친환경 양자점, 표면 제어로 광산화 안정성 개선

나노 크기의 반도체 결정인 양자점의 특정 노출면을 제어해 광산화 반응을 억제하는 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 성균관대학교 정소희 교수 연구팀과 프랑스 툴루즈 국립응용과학원 공동 연구팀이 인듐 포스파이드(InP) 나노결정의 표면 화학적 특성을 분자 수준에서 규명하고, 광산화에 강한 반도체 양자점을 합성하는 데 성공했다고 밝혔다.

인듐 포스파이드는 카드뮴과 납을 대체할 수 있는 친환경 소재로 주목받고 있다. 하지만 나노미터 수준의 작은 크기 때문에 표면 산화가 쉽게 일어나고 불안정성이 나타나 소자의 성능 저하를 초래하는 문제가 있었다.

연구팀은 결정학적으로 정의된 {111}면과 {110}면을 가진 InP 나노결정을 합성하고, MAS-NMR 분석기법과 X선 광전자 분광법을 활용해 표면 리간드 결합 강도와 광산화 반응성을 비교했다. 분석 결과, {111}면은 리간드 결합이 강하게 유지돼 외부 산소와 수분으로부터 표면을 보호한 반면, {110}면에서는 결합이 약해 산화 반응이 더 활발하게 일어났다. {110}면의 인(P) 원자 산화율은 약 23%로 나타났지만, {111}면에서는 3% 미만으로 매우 낮은 수준을 유지했다.

이번 연구는 나노결정의 노출면에 따른 표면 화학적 반응성을 분자 수준에서 규명한 최초의 사례로, 기존 연구에서 다루지 못했던 노출면의 영향과 리간드 결합의 차이를 명확히 밝혀냈다. 이를 통해 광전자 소자의 안정성과 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 설계 전략을 제시한 점에서 의의가 크다.

정소희 교수는 “양자점 표면의 리간드 결합 강도와 광산화 안정성의 상관관계를 밝혀낸 연구로, 디스플레이, 태양전지, 센서 등 다양한 광전자 소자의 수명과 성능 개선에 기여할 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행한 연구는 국제학술지 저널 오브 더 아메리칸 케미컬 소사이어티(Journal of the American Chemical Society)에 발표됐다.