현재 사용되는 퀀텀닷(Quantum Dot) 기반의 디스플레이는 청색 LED를 광원으로 사용해 녹색과 적색 퀀텀닷을 광자 에너지가 분자로 이동해 높은 에너지상태로 방출되는 상태를 의미하는 여기(勵起)를 통한 색 변환 방식을 이용한다.

이러한 방식은 퀀텀닷을 이용하는데 디스플레이 소자의 단가가 높다. 또한 액체 상태인 퀀텀닷을 소재에 적용하기 위해 공기 중에 말리면 발광 효율이 급격히 저하된다는 문제점이 있다.

이에 연구팀은 금속 나노구조가 청색 LED의 빛을 받으며 발생하는 국소 표면 플라즈몬 효과를 이용해 퀀텀닷의 발광효율을 증가시켰다. 이어 발광 휘도를 높일 수 있는 LED 구조를 이론적으로 제시하고 구현시켜 문제를 해결했다.

이 구조는 기본 청색 LED를 여기 광원으로 이용한다. 알루미늄 금속 나노구조와 녹색 퀀텀닷을 여기해 녹색 발광 휘도를 증가시키고, 은 금속 나노구조와 적색 퀀텀닷을 여기해 적색 발광 휘도를 증가시킨다.

이를 통해 퀀텀닷의 양을 많이 줄일 수 있으며, 소재의 단가를 낮출 수 있다. 또한, 소재의 구조를 이론적으로 모델링했기 때문에 목적에 따라 금속 나노구조를 간단하게 새로 디자인해 조절할 수 있다.

조용훈 교수는 "향후 퀀텀닷 디스플레이에 금속 나노구조를 도입하는 기술이 적절히 도입된다면 소재에 필요한 퀀텀닷의 양을 줄이고 효율적인 색 변환을 통해 단가를 줄일 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업과 KAIST 기후변화연구 허브사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 나노과학 분야 국제 학술지 '스몰(Small)'에 지난해 12월 27일자 표지 논문에 선정됐다.