[첨단 헬로티]
한국전자통신연구원(ETRI)이 양자점 발광다이오드(QLED)의 성능을 높이는 기술 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.
QLED는 자체적으로 빛을 내는 반도체 입자인 양자점을 이용한 디스플레이 기술이다. 그동안 OLED가 유기물을 이용했다면 QLED는 유기물 대신 반도체 즉, 양자점을 활용한다. 최근 자연에 가까운 색을 재현 하는 디스플레이 수요가 증가하고 있어 가장 넓은 색 영역을 제공하는 QLED 기술에 대한 관심 또한 높아지는 추세다.
QLED 기술의 가장 큰 난제는 발광 층 내 전자-정공 이동 불균형 현상이다. QLED 디스플레이를 구성하는 소자는 양 전극에서 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 양자점에서 만나 빛을 내게 된다. 그런데 전자는 자유롭게 위아래로 잘 이동한다는 특징이 있지만, 정공의 경우 전극과 양자점 에너지 간 전달이 더뎌 이동이 힘들다.
이러한 전자-정공 불균형 문제는 양자점 발광다이오드의 성능을 떨어뜨리고 소자의 수명을 짧게 만들어 이를 해결하기 위한 연구가 필요했다.
▲ 동일 전압 조건에서 ETRI 연구진이 치환한 QLED가 기존 QLED보다 더 밝게 발광하고 있는 것을 나타낸 모습.
(위쪽 줄이 기존QLED, 아래쪽 줄이 치환된 QLED)
ETRI 연구진은 디스플레이에서 밝게 빛나는 발광층 위에 양자점을 깔고 정공 쪽에 해당되는 부분만 피리딘이라는 물질로 바꾸어 불균형 문제를 해결했다. 결국 피리딘으로 인해 정공을 쉽고 빠르게 이동시킬 수 있었다고 전했다.
또한 “피리딘으로 바꿔주면 양자점과 정공 수송층 사이의 거리가 줄어들고 중간 에너지 층이 만들어 진다. 중간 에너지 층은 정공을 보다 원활히 전달하도록 도와서 전자와 정공이 만나 빛을 내는 효율을 증대시키게 해준다. 하나의 층에 전자와 정공이 동시에 존재해야 빛이 나게 되기 때문이다”고 설명했다.
ETRI는 “기존에는 전자만 원활하게 이동하고 정공이 뒤따라오질 못했다. 또 정공을 추가로 주입하게 되면 전압을 더 가해야만 했다. 하지만, 연구진에 의해 추가적인 전압이 필요 없이도 정공이 자유롭고 원활하게 이동함이 따라 낮은 전압에서도 빛이 나게 되는 셈이다. 즉 OLED와 같은 전압인데도 불구, 정공의 움직임이 빨라져 이동성이 빠른 전자와 많이 만나게 되어 밝게 빛이 나는 것이다”고 말했다.
이어, “그 결과, 기존 소자에 비해 최대 4.5배의 밝기, 1.7배의 전류효율, 2.3배의 전력효율을 가지는 양자점 발광 다이오드의 구현이 가능케 됐다. 이 기술의 경우 적, 녹, 청(RGB) 모든 색상의 양자점에 동일하게 적용할 수 있어서 향후 QLED 상용화에 큰 도움이 될 것이다”고 연구진은 전망했다.
▲ ETRI 연구진이 QLED 레이어를 증착 장비에서 공정을 진행하는 모습
(좌측부터 시계방향으로 최수경 연구원, 이현구 선임 연구원, 이강미 연구원)
연구진이 개발한 기술은 그 우수성을 인정받아 재료 분야의 대표적인 국제 학술지인 Journal of Materials Chemistry C 3월 표지 논문으로 선정됐다.
이 논문의 제1 저자는 ETRI ICT소재부품연구소 유연소자연구그룹 최수경 박사이며 문제현, 조현수, 권병화, 조남성 책임연구원이 참여했다. 교신 저자는 이현구 그룹장이다.
ETRI 이현구 유연소자 연구그룹장은 “향후 이 기술을 연구진이 개발 중인 마이크로 디스플레이도 적용해 볼 계획이다. 미국 국가 텔레비전 시스템 위원회(NTSC) 기준 약 159%의 색 재현율을 보여 자연색에 보다 가까운 색상구현도 가능해 차세대 디스플레이 등에 다양하게 적용될 것으로 보인다”고 언급했다.
▲ 동일 전압 조건에서 ETRI 연구진이 치환한 QLED가 기존 QLED보다 더 밝게 발광하고 있는 것을 나타낸 모습.(위쪽 줄이 기존QLED, 아래쪽 줄이 치환된 QLED)
한편, 이번 연구는 ETRI 주요 사업인 ‘임플란터블 프론트엔드 기술개발’ 과제의 일환으로 진행됐으며 연구진은 그간 차세대 디스플레이 연구 개발을 위해 15건의 연구 논문과 15건의 특허 등록을 완료했다.
