DGIST, 수분이 양자 결정에 영향 주는 원인 밝혀

DGIST(총장 국양) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 박정원 교수팀과 공동연구를 통해 반도체 양자 나노결정의 수분(물)에 의한 열화 메커니즘을 규명했다.

18일 DGIST에 따르면 공동연구팀이 개발한 실시간 액상 투과 전자현미경 분석용 차세대 이미징 플랫폼을 이용해 열화 과정에서 존재하는 반응 중간체 및 원자 단위의 반응경로를 밝혀냄으로써 양자 나노결정의 상용화에 한 걸음 다가서게 됐다고 밝혔다.

반도체 양자 나노결정은 크기와 모양에 따라 달라지는 밴드갭 높은 발광 효율, 좁은 발광 반치폭 등의 장점으로 바이오 이미징, 광전자 소자 및 촉매 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

하지만, 벌크 반도체 결정보다 수분과 산소에 대한 안정성이 낮다는 단점을 가지고 있다. 

이에 따라 수분과 산소에 영향을 받아도 높은 안정성을 가지는 반도체 양자 나노결정을 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있지만, 외부 영향으로 인해 성질이 나빠지는 현상인 ‘열화’ 메커니즘이 명확하게 밝혀지지 않아 개발에 어려움을 가지고 있었다. 

기존의 경우 열화 메커니즘을 밝히기 위해 분광 분석법, X선 산란 및 회절 분석법 등으로 연구를 수행하고 있는데, 이러한 방법으로는 구조 변화의 평균적인 정보만을 제공하여 수분에 의한 열화 과정에 대해 주로 나노결정의 광·물리적 특성의 변화만을 확인할 수 있었다.

개별 나노 결정의 구조 변화 메커니즘을 규명하기에는 어려움이 있어서 개별 나노입자에서 발생할 수 있는 다양한 원자 단위의 반응양상 및 반응중간체의 존재를 밝히는 데에는 한계가 있다.

이에 DGIST 양지웅 교수팀은 개별 나노입자의 반응과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 실시간 액상 투과 전자현미경 분석법(In-situ transmission electron microscopy, In-situ liquid-phase TEM)을 활용하는 방법을 고안했다.

특히, 수분에 의한 열화 메커니즘을 밝히기 위해서는 반응제어 및 실시간 초고해상도 이미징이 동시에 가능한 액상 셀이 필요한데, 이를 위해 두 가지 기능을 동시에 갖춘 ‘그래핀 기반의 차세대 액상 셀’을 개발했다. 

차세대 액상 셀은 매우 얇은 그래핀 분리막을 통해 두 가지 서로 다른 액체의 혼합을 제어할 수 있도록 디자인했다.

양자 나노 결정 중 대표적으로 그 합성법이 잘 알려진 ‘황화카드뮴(CdS)’을 활용하여 열화 매커니즘을 규명하기 위한 연구를 수행했다. 

그 결과 ‘황화카드뮴(CdS)’ 반도체 나노결정은 열화 과정에서 Cd(OH)x로 이루어진 비정질 중간체를 형성하면서 분해되며, 비정질 중간체의 존재로 인해 기존에 연구된 금속 나노결정의 분해 메커니즘과는 달리 반응 중간에 불규칙한 모양의 결정 표면구조를 나타냄을 확인했다.

이를 통해 수분에 의한 반도체 나노결정의 구조 열화는 표면에서부터 비가역적으로 일어나므로, 반도체 나노결정의 표면 보호가 중요함을 확인했다. 

DGIST 양지웅 교수는 “그동안 반도체 양자 나노 결정의 상용화가 어려웠던 이유는 수분에 의한 열화가 중요한 요인이었다. 본 연구를 통해 밝혀낸 열화 메커니즘이 앞으로 양자 소재 개발에 큰 도움이 되기를 기대한다”고 말했다. 

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성사업 지원을 통해 수행했으며, 관련 연구결과는 나노과학분야 저명학술저널 ‘ACS Nano’에 7월 온라인 게재됐다.