신소재 공의현 박사팀, 국제권위지 표지논문으로 발표

머리카락 굵기의 백만분의 1에 불과한 양자점은 반도체나 디스플레이, 광학센서, 의료기기 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근에는 조명기기 등에도 적용될 정도로 그 활용영역이 무궁무진한 소재로 주목을 모으고 있다. 하지만 이 소재를 이용한 연구의 걸림돌로 지적되는 것이 물질의 전기 전도성 정도를 결정하는 밴드갭(band gap)으로, 이를 제어하는 기술은 학계에서도 끊임없는 이슈가 되고 있는 상태다.

대부분의 연구가 화학적인 방법을 이용하는 가운데, 국내 연구진이 처음으로 기계적인 방법을 통해 양자점의 밴드갭을 제어하는 기술을 개발했다.

POSTECH(포항공과대학교) 신소재공학과 장현명 교수의 지도를 받은 공의현 박사(32)는 박사과정 주수현씨(지도교수 김형섭)와 나노융합기술원(NINT)의 박현진 선임연구원과 함께 열적 잔류응력*1을 양자점에 유도해 그 격자를 변형함으로써 밴드갭을 조절하는 방법을 개발, 24일 발간되는 재료과학 분야 권위지인 ‘스몰(Small)’의 9월호 표지논문으로 발표한다.

특히 벌크 금속의 잔류응력 관찰을 위해 이용하는 시뮬레이션 방법 중 하나인 유한요소법*2을 처음으로 양자점에 적용해 격자변형을 예측함으로써 새로운 해석법을 제시했다는 점에서 의미를 가진다.

밴드갭은 에너지 갭으로도 불리며, 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨 사이의 차이를 의미한다. 이 차이에 따라 물질의 전기 전도성 정도가 결정되는데, 전도성을 이용해 디스플레이나 반도체에 활용되는 양자점의 특성상, 밴드갭 조절은 광학적, 전기적 특성 개선과도 큰 관련이 있다.

특히 연구팀이 개발한 방법처럼 기계적인 방법으로도 밴드갭을 조절할 수 있다면 고가의 장비나 오랜 공정시간이 필요하지 않게 되어 제조비용도 큰 폭으로 낮출 수 있다.

연구팀은 이 기술을 양자점 감응형 태양전지에 적용, 효율을 60% 이상 끌어올려 실제 활용 가능성에 대한 효과도 입증했다.

한편, 이 논문의 주저자인 공의현 박사는 이 외에도 양자점의 상전이를 이용하여 밴드갭을 제어하는 기술을 올해 같은 학술지인 ‘스몰(Small)’의 4월호 표지논문으로 발표한 바 있다.

1. 잔류응력

외부의 힘을 빼도 재료 내부에 존재하는 응력이다. 응력은 외부의 힘이 증가할수록 증가하지만 증가하는데 한도가 있어 재료 고유의 응력에 도달하면 재료가 파괴되기 때문에 흔히 변형력이라고도 부른다. 금속의 경우 담금질이나 용접 등에 의해 생긴다.

2. 유한요소법

구조물을 유한한 숫자의 요소로 나누어 모델링하고 이를 해석하는 해석기법의 하나로서 수치적해석기법에 속함.