차세대 'QLED' 상용화 걸림돌, 韓 연구진이 풀었다

-임재훈 성균관대 교수와 이도창 한국과학기술원(KAIST) 교수 공동 연구팀
-QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명
-저전력으로 구동·수명 연장도 가능해져

(그림 1) 양자점 전계발광소자의 구동 특성과 에너지 준위 a. 양자점 전계발광소자의 구조(좌)와 구동 전압에 대한 이해(우). 이상적인 무장벽 소자의 경우 최소 구동 전압은 양자점의 발광 파장에 의해 결정되며 적색의 경우 약 2 V로 알려져 있다. 구동 전압은 양자점 내에 전류를 주입하기 위한 전기적 위치에너지로, 물(=전류)을 얼만큼 높이 올려야(=전압) 하는가를 나타내며, 실제 소자는 전하 전달 소재의 한계로 인해 구동 전압이 증가하며, 기존 이론에 따르면 본 연구에서 사용한 소자 구조는 구동 전압을 약 2.7 V까지 증가시킨다. b. 양자점 전계발광소자의 밝기-전압 특성(좌) 및 설명 (우). 실제 소자의 실험값은 이상적인 무장벽 소자와 비슷하거나, 심지어는 낮은 구동 전압(본 연구에서는 1.5 V)을 보인다. 이는 양자점 표면준위에 의해 양자점과 주변 층 사이의 상대적인 전기적 위치가 변화하기 때문이다. 그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 이현준 박사과정

[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 양자점발광다이오드(QLED)의 상용화가 임박해 있지만 여전히 효율과 수명 향상은 걸림돌로 남아 있다. 그런데 이를 해결할 실마리를 국내 연구진이 찾아냈다.

한국연구재단은 임재훈 성균관대 교수와 이도창 한국과학기술원(KAIST) 교수 공동 연구팀이 QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

QLED는 우리 시각세포가 받아들이는 천연색의 순도를 실감나게 재현할 차세대 발광 소재로 주목받는 양자점을 사용한 디스플레이다. 연구팀은 양자점의 효율과 수명 향상이 상용화 과제로 남은 가운데 양자점 표면의 결함이 오히려 발광 성능 향상의 실마리가 된다는 사실을 밝혀냈다.

QLED는 양자점에 전자 (음전하)와 정공(양전하)을 직접 주입해 빛을 내는 디스플레이다. 색순도, 전력소모, 밝기 특성이 우수하여 차세대 평판 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 각 전극을 통해 주입된 전자와 정공이 가운데 양자점에서 만나 발광하는 QLED에서 양자점 주변 전기전도층이 전자와 정공의 흐름(주입)을 방해하는 장벽으로 작용한다고 알려져 있었다. 때문에 적색 QLED는 가시광선(적색)에 해당하는 에너지인 2V를 초과하는 구동전압이 필요하다는 것이 정설이었다.

하지만 연구팀은 일부 양자점에서 전하 주입 장벽의 존재에도 불구하고 2V보다 낮은 1.5V 전압으로도 빛을 내는 것을 알아냈다. 구동전압이 낮을수록 소자작동에 필요한 에너지가 줄어들기에 상용화에 유리하다. 전하 주입 장벽이란 전류의 흐름을 방해하는 장애물로, QLED의 최소 구동 전압을 높이는 주범이며, 소재 간 에너지준위의 차이에 의해서 발생한다. 연구팀은 이 과정에서 양자점 표면 결함이 양자점을 중심으로 배열된 서로 다른 소재간 에너지 준위 재정렬을 유도해 전하 주입 장벽을 어느 정도 상쇄할 수 있는 디딤돌로 작용함을 알아냈다. 양자점을 둘러싼 전기전도층의 전자가 양자점 표면의 결함으로 이동하여 내부 전기장을 형성함으로써 소자 내 각 층간 에너지 준위 차이를 좁혀 전하의 이동을 원활하게 한다는 것이다.

연구팀은 "저전력, 고효율 양자점 전계발광소자 구현 원리를 제시한 이번 연구결과가 고해상도·장수명 디스플레이 구현을 앞당길 것으로 기대된다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communi cations)’에 지난달 27일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr