‘입자 아닌 껍질’ 인화갈륨 퀀텀셸 발광소재 개발

인화갈륨(GaP)은 뛰어난 광학적 특성을 가진 반도체 소재로, 광전자 및 광학 분야에서 중요한 잠재력을 지니고 있지만, 간접 전이 밴드갭 구조로 인해 발광 효율이 낮아 광학 소자로 활용하는 데 어려움이 있었다. 최근, 한국연구재단은 KAIST 정연식 교수와 KIST 김동훈 박사, 동국대 최민재 교수 연구팀이 이를 극복할 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 황화아연(ZnS)을 핵으로 사용해 극도로 얇은 인화갈륨(GaP)을 형성하고, 기존 기술로는 구현할 수 없었던 GaP의 직접 전이 밴드갭을 성공적으로 실현했다. 황화아연은 고강도 반도체로, 광학 부품에 주로 사용되는 재료이며, 이와 결합해 GaP의 발광 효율을 대폭 향상시켰다.

연구팀은 GaP와 비슷한 결정 구조를 가진 황화아연을 선택해 퀀텀셸 형태로 GaP 반도체 입자를 합성했다. 이 합성 방식은 원자층 증착법(ALD)과 에피택셜 성장 기술을 결합해 ZnS 나노결정 위에 단일원자층 GaP를 성장시키는 방법으로, GaP가 직접 전이 밴드갭을 가지게 만들었다. 그 결과, 45.4%의 양자효율을 기록하며 강한 보라색 빛을 방출하는 특성을 확인했다.

또한, 연구팀은 보호층 없이도 200일 이상 발광 효율이 유지되는 뛰어난 안정성을 입증했다. 이번 연구는 GaP의 직접 전이 밴드갭 전환을 실험적으로 증명한 첫 번째 사례로, 새로운 반도체 설계와 광전자·광학 분야에서의 응용 가능성을 제시한다.

이번 성과는 차세대 화합물 반도체 및 디스플레이 기술에서 중요한 발전을 의미하며, 향후 다양한 산업 분야에 적용될 것으로 기대된다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.