그래핀·질화붕소 경계에서 청색 발광 최초 발견
전자가 경계면 집중되어 새로운 에너지 준위 생성
유연한 소재인 ‘그래핀’, ‘육방정계 질화붕소’
접히거나 굽혀지는 차세대 디스플레이 제작 가능


UNIST(울산과학기술원) 신현석 교수팀은 그래핀과 ‘화이트 그래핀’으로 불리는 육방정계 질화붕소 경계면에서 청색 발광 현상을 최초로 발견했다고 27일 밝혔다. 더불어 ‘그래핀 퀀텀닷’을 이용한 유연 발광소자 제작에도 성공해 그래핀이 새로운 디스플레이 광원으로서의 잠재력을 보여줬다.

그래핀은 탄소 원자가 6각형 모양으로 이어진 얇은 막이다. 하지만 얇음에도 강하고 유연하며 열·전기 전도도까지 높아, 꿈을 물질로 불리며 다양한 산업 분야에서 연구가 활발하다. 연구팀은 경계면의 밀도(발광 강도)를 높이기 위해 20nm(나노미터, 10-9m) 이하의 그래핀이 배열된 질화붕소 막을 쌓는 방식을 사용했다.

그래핀은 물질이 내는 빛 색깔을 결정하는 ‘에너지 띠 틈(energy bandgap)’이 없어 디스플레이 소자 발광물질로 거의 연구되지 않았다.

하지만 연구팀은 전자현미경으로 관찰했을 때 원래 반듯한 육각형 모양이던 두 물질의 구조가 경계면에서 5각형, 7각형 모양으로 바뀐 결과를 토대로 물질 내 전자 에너지를 분석했다. 그 결과 전자(전하)가 경계면에 집중되면서 새로운 에너지 준위가 만들어진 것이 발광현상의 원인이라는 결론을 얻었다.

신 교수는 “이 연구는 전도체인 그래핀과 부도체(절연체)인 질화붕소의 계면이 광원소재로 활용될 수 있음을 보여주었다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “이러한 2차원 복합체 기반의 광센서나 LED와 같은 광전자 소자를 구현함으로써 유연 디스플레이 산업 발전에 크게 기여할 연구”라고 기대했다.

한편, KAIST 전석우 교수, 서울대 손병혁 교수팀이 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이쳐 커뮤니케이션스’에 10월 23일 자로 공개됐다.