고려대학교(총장 김동원) 물리학과 주진수 교수 연구팀은 순수 유기 반도체가 스스로 규칙적으로 배열되는 ‘자기조립 결정 구조’를 이용해 초정밀 적색 빛을 구현하고, 이 구조에서 빛을 받을수록 발광이 강화되는 현상의 원리를 규명했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 권위의 국제학술지 ‘Advanced Science(IF=14.1)’에 11월 7일 온라인으로 게재됐다. 논문명은 ‘Observation of ultranarrow band red photoluminescence from pure organic self-assembled T2T micro-rods: A route to high-resolution light sources’이며, DOI는 10.1002/advs.202518814이다.

차세대 디스플레이 분야에서는 색의 선명도를 결정하는 색 정확도가 핵심 요소로 꼽힌다. 그러나 기존 유기 발광 소재는 발광 스펙트럼이 넓게 퍼지는 특성이 있어 색 정확도가 떨어지는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 금속 첨가물이나 공진기 구조를 활용해 왔지만, 공정이 복잡해지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 유기 반도체의 배열 방식에 주목했다. 연구팀은 유기 반도체 물질인 T2T(2,4,6-tris(biphenyl-3-yl)-1,3,5-triazine)를 이용해 분자들이 스스로 일정하게 정렬되는 자기조립 미세결정 구조를 구현했다. 이 구조는 일반 유기 물질보다 규칙적인 배열을 형성해 빛이 흐트러지지 않고 집중될 수 있는 환경을 만든다고 연구팀은 설명했다. 그 결과, 머리카락 굵기의 10만 분의 1 수준인 약 3나노미터 폭의 선명한 적색 발광이 관측됐다.

연구팀은 광학 실험과 이론 시뮬레이션을 통해, T2T 분자가 특정 형태로 집합할 경우 엑시톤이 자체적으로 갇혀 정해진 적색 영역에서 안정적으로 발광한다는 사실을 확인했다. 이는 T2T 자기조립 결정 구조가 기존 유기 소재로는 구현이 어려웠던 초정밀 적색 발광을 가능하게 하는 원리라고 연구팀은 밝혔다.

또한 연구팀은 결정에 빛을 조사할수록 발광 세기가 점차 증가하는 현상도 확인했다. 연구팀은 이 현상에 대해 “분자 내부에 갇힌 엑시톤이 빛 에너지에 의해 더 활발히 움직이며 발광을 일으키는 방식으로, 분자 배열이 매우 정돈된 결정 구조에서만 나타난다”고 설명했다.

주진수 교수는 “별도의 첨가 금속 원소나 공진기를 사용하지 않고 순수 유기 반도체 자체만으로 초협대역 발광을 구현한 사례는 매우 드물다”며 “초고해상도 디스플레이, 홀로그래피, 차세대 광원 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 있다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 과학기술분야 기초연구사업 중견연구와 4단계 BK21 사업(고려대학교 물리학과)의 지원을 받아 수행됐다.