반도체 양자 나노막대 사이 에너지 전달현상, 영상 구현 성공
KBSI 채원식 박사, KAIST, KIST와의 공동연구…'Chemistry of Materials 지'에 논문 게재

채원석 기초지원연 박사.<사진=한국기초과학지원연구원 제공>
채원석 기초지원연 박사.<사진=한국기초과학지원연구원 제공>
국내 연구팀이 양자입자를 이용하는 디스플레이나 태양전지 소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다.

한국기초과학지원연구원(KBSI·원장 정광화)는 채원석 박사팀이 반도체 양자 나노막대 사이의 에너지 전달 속도가 나노막대들의 쌓임 구조에 따라 서로 상이하게 나타나는 현상을 손쉽게 영상으로 구현하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

이번 기술 개발에는 '시분해형광공초점현미경'(Time-Resolved Fluorescence Confocal Microscopy)을 이용한 영상분석기술이 사용됐다.

나노입자들 사이에서 발생하는 에너지 상호작용에 대한 양자 물성은 피코(일조분의일)-나노(십억분의일)초의 극초단 시간 영역에서 주로 나타난다. 또 나노입자들이 쌓여져 형성되는 자기조립체의 경우 위치에 따라 쌓임 구조가 서로 달라지게 된다.

채 박사팀은 이때 변화하는 공간상에서의 극초단 양자 물성 변화 관찰에 '시분해형광공초점현미경'을 이용한 시간-공간 분할 영상분석기술을 활용해 영상으로 구현했다. 

황화카드뮴(CdS) 반도체 나노막대 자기조립체의 전자현미경 사진. 용매가 증발되면서 나노막대들 간에 작용하는 상호작용의 힘 및 나노막대와 기판과 상호작용의 결과로부터 생성되는 소용돌이(vortex) 모양의 자기조립체를 보여준다.<사진=한국기초과학지원연구원 제공>
황화카드뮴(CdS) 반도체 나노막대 자기조립체의 전자현미경 사진. 용매가 증발되면서 나노막대들 간에 작용하는 상호작용의 힘 및 나노막대와 기판과 상호작용의 결과로부터 생성되는 소용돌이(vortex) 모양의 자기조립체를 보여준다.<사진=한국기초과학지원연구원 제공>

이번 연구에 활용된 '시분해형광공초점현미경'은 반도체와 세라믹 등 신소재분야 뿐만 아니라 형광 현상을 기반으로 하는 환경소재, 나노-바이오 융합소재 및 의료, 진단 분야에 이르기까지 폭넓은 분야에서 활용될 것으로 전망된다.

이번 연구는 기초지원연·KAIST·KIST의 공동연구 결과로 이뤄졌다. 연구 성과는 소재화학 분야 세계유수 학술지인 '케미스트리 오브 머티리얼스(Chemistry of Materials)지 2일자 온라인판(논문명: Controlled Vortex Formation and Facilitated Energy Transfer within Aggregates of Colloidal CdS Nanorods, IF=8.535)에 게재됐다.

채원식 기초지원연 박사는 "반도체 나노입자들 간의 에너지 상호작용을 직접 영상으로 분석할 수 있게 돼 앞으로 디스플레이, 태양전지 등의 소자를 설계할 때 성능 향상에 필수적인 핵심 양자 물성 정보를 신속히 제공할 수 있을 것"이라고 말했다. 

아울러 공동연구자로 참여한 김휘동 KAIST 연구원, 배완기 KIST 박사는 "대학 연구실에서 개발한 나노막대 자기조립체의 구조변화에 따른 국부적 에너지 변화를 규명할 방법이 없었는데, 기초지원연의 첨단 현미경장비를 이용해 밝혀낼 수 있었다"며 첨단 연구를 수행하는 데에 첨단 연구장비와 분석기술 확보가 중요함을 강조했다.

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