Quantum Nanomaterials & Devices Laboratory(양자 나노소재 및 소자 연구실)는 콜로이드 양자점(Quantum Dot) 및 관련 나노소재의 합성, 구조 제어, 그리고 이를 활용한 차세대 광전자 소자 개발에 중점을 두고 있습니다. 본 연구실은 CdSe, ZnSe, ZnTe, InP, AgInS2, AgGaS2 등 다양한 반도체 소재를 기반으로 한 양자점의 정밀 합성 및 구조 엔지니어링 기술을 보유하고 있으며, 크기, 형태, 조성, 표면 및 계면의 정밀 제어를 통해 고효율, 고안정성의 양자점을 구현하고 있습니다.
특히, 본 연구실은 양자점 발광 다이오드(QD-LED), 태양전지, 광센서, 레이저, 루미네선트 태양광 집광기(LSC) 등 다양한 광전자 소자에 양자점을 적용하는 연구를 활발히 수행하고 있습니다. QD-LED 분야에서는 소자 구조 설계, 전하 주입 및 수송층 최적화, 계면 엔지니어링, 잉크젯 프린팅 등 첨단 공정 기술을 개발하여, 고효율·장수명·고해상도 디스플레이 구현에 기여하고 있습니다. 또한, 소자 구동 중 발생하는 전하 주입 불균형, 열화 메커니즘 등 다양한 물리·화학적 현상을 심도 있게 분석하여, 소자의 신뢰성과 내구성을 높이고 있습니다.
양자점의 광학적 특성 분석에도 많은 노력을 기울이고 있습니다. 흡수 및 발광 분광, 시간분해 광발광(TrPL), 단일입자 분광, Hanbury-Brown-Twiss(HBT) 측정 등 첨단 광학 분석 기법을 활용하여, 양자점의 전하 및 여기자 동역학, 계면 및 표면 결함의 영향, 비방사성 소멸(Auger recombination) 메커니즘 등 근본적인 물리 현상을 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 양자점 및 소자의 성능 극대화와 더불어, 새로운 양자광학 응용 분야로의 확장 가능성을 제시합니다.
본 연구실은 국내외 유수 학술지에 다수의 논문을 발표하고 있으며, 관련 특허와 기술이전, 산학협력도 활발히 이루어지고 있습니다. 삼성디스플레이 등 산업계와의 협력을 통해 차세대 디스플레이 상용화에 기여하고 있으며, 인공지능 기반 재료설계, 친환경 소재 개발, 미세 패터닝 등 미래 지향적 연구도 적극적으로 추진하고 있습니다.
이처럼 Quantum Nanomaterials & Devices Laboratory는 나노소재 합성에서부터 소자 응용, 근본 물성 분석, 산업화까지 전주기적 연구 역량을 갖추고 있으며, 차세대 광전자 및 디스플레이 분야의 혁신을 선도하고 있습니다.
우리 연구실은 콜로이드 반도체 나노결정, 즉 양자점(Quantum Dot)의 합성과 구조 제어에 대한 선도적인 연구를 수행하고 있습니다. 양자점은 그 크기와 형태, 조성에 따라 전자적 및 광학적 특성이 크게 달라지기 때문에, 원하는 기능을 구현하기 위해서는 정밀한 합성 기술이 필수적입니다. 본 연구실은 CdSe, ZnSe, ZnTe, InP, AgInS2, AgGaS2 등 다양한 이원 및 삼원계 반도체 소재를 기반으로 한 양자점의 합성법을 개발하고 있으며, 크기, 형태, 조성의 정밀 제어를 통해 고효율, 고안정성의 양자점을 구현하고 있습니다.
특히, 합성 과정에서의 표면 및 계면 제어, 조성 구배(shell engineering), 합금화(alloying) 등 다양한 구조적 접근을 통해 양자점의 발광 효율과 안정성을 극대화하고 있습니다. 이러한 구조 제어 기술은 양자점의 광전자 소자 응용에 있어 핵심적인 역할을 하며, 실제로 본 연구실에서는 다양한 합성법의 개발과 더불어, 양자점의 표면 리간드 교환, 계면 엔지니어링, 이종접합 구조 설계 등 첨단 나노공정 기술을 적극적으로 도입하고 있습니다.
이러한 연구는 양자점의 근본적인 물성 이해뿐만 아니라, 차세대 디스플레이, 태양전지, 레이저, 바이오 이미징 등 다양한 응용 분야로의 확장 가능성을 높이고 있습니다. 본 연구실의 합성 및 구조 제어 기술은 국내외 유수 학술지에 다수의 논문으로 발표되고 있으며, 관련 특허와 기술이전도 활발히 이루어지고 있습니다.
양자점을 활용한 광전자 소자 개발
본 연구실은 자체 합성한 고성능 양자점을 활용하여 다양한 광전자 소자를 개발하고 있습니다. 대표적으로 양자점 발광 다이오드(QD-LED), 양자점 태양전지, 양자점 기반 광센서, 레이저, 루미네선트 태양광 집광기(LSC) 등이 있으며, 특히 QD-LED 분야에서 세계적인 경쟁력을 갖추고 있습니다. QD-LED는 양자점의 좁은 발광 스펙트럼과 높은 색순도, 색재현력, 효율, 수명 등의 장점을 극대화할 수 있는 차세대 디스플레이 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
연구실에서는 QD-LED의 소자 구조 설계, 전하 주입 및 수송층의 최적화, 계면 엔지니어링, 잉크젯 프린팅 등 다양한 공정 기술을 개발하여, 고효율·장수명·고해상도 QD-LED 구현에 성공하고 있습니다. 또한, 양자점의 표면 및 계면 특성, 전하 주입 균형, 열화 메커니즘 등 소자 구동 중 발생하는 다양한 물리·화학적 현상을 심도 있게 분석하여, 소자의 신뢰성과 내구성을 향상시키는 연구도 병행하고 있습니다.
이러한 연구는 실제 산업계와의 협력 및 기술이전으로도 이어지고 있으며, 삼성디스플레이 등 국내외 디스플레이 기업과의 산학협력을 통해 차세대 디스플레이 상용화에 기여하고 있습니다. 또한, 태양전지, 광센서, 신경모방 소자 등 다양한 광전자 응용 분야로 연구를 확장하고 있습니다.
양자점의 광학적 특성 분석 및 단일입자 분광
양자점의 광학적 특성은 그 구조와 환경에 따라 매우 민감하게 변화하기 때문에, 정밀한 분광 분석이 필수적입니다. 본 연구실은 흡수 및 발광 분광, 시간분해 광발광(TrPL), 단일입자 분광, Hanbury-Brown-Twiss(HBT) 측정 등 첨단 광학 분석 장비와 기법을 활용하여 양자점의 광학적 특성을 다각도로 연구하고 있습니다. 특히, 단일 양자점의 스펙트럼 확산(spectral diffusion), 깜빡임(fluorescence intermittency), 다중여기자(biexciton) 물리 등 집합체 분석으로는 알 수 없는 미세한 동적 현상을 규명하고 있습니다.
이러한 광학적 특성 분석을 통해 양자점의 전하 및 여기자 동역학, 계면 및 표면 결함의 영향, 비방사성 소멸(Auger recombination) 메커니즘 등 근본적인 물리 현상을 이해하고, 이를 바탕으로 양자점 및 소자의 성능을 극대화하는 설계 지침을 도출하고 있습니다. 또한, EMCCD, 단일광자 검출기 등 고감도 검출기를 활용하여 미세 신호까지 정밀하게 측정함으로써, 세계 최고 수준의 단일입자 분광 연구를 수행하고 있습니다.
이러한 연구는 양자점의 근본적 물성 규명뿐만 아니라, 차세대 광전자 소자의 신뢰성 향상, 새로운 양자광학 응용(예: 단일광자원, 양자정보소자) 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 보여주고 있습니다.
