용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서 60%의 발광효율 지닌 양자 광소재 개발
내부결함을 최소화시킨 격자결맞춤구조 고안, 구형양자우물구조의 新구조 소재


퀀텀닷(양자점, Quantum Dot)은 수 나노미터 크기의 구형 반도체 나노입자로, 크기 조절을 통해 발광 빛의 파장을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 우수한 색순도 및 높은 발광효율로 차세대 디스플레이와 조명 소재로 각광받고 있다. 국내 대기업에서 퀀텀닷을 일부 활용한 TV를 출시한 이후, 국내외 학계 및 산업계의 관심이 고조되고 있다. 최근 국내 연구진이 기존 양자점의 결함을 줄여 100%에 가까운 발광효율을 지니는 새로운 구조의 양자 광소재 개발에 성공했다.

(좌 : 배완기 박사 | 우 : 정병국 박사과정)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 ‘구형양자우물구조(Spherical Quantum Well, SQW)’이라 불리는 新구조의 양자 광소재를 개발하여, 용액 상에서 100%, 고집적 필름 상에서도 60%에 이르는 발광효율을 지니면서 200℃ 이상의 온도조건에서 안정적으로 작동하는 새로운 양자 광소재를 개발했다.

<그림 1> 구형양자우물구조 광소재의 광특성

기존의 양자점 소재는 원자 단위의 내부 결함 혹은 표면 결함으로 인하여 광효율 및 안정성이 저하되는 문제를 지니고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 양자점 발광층의 표면에 화학적으로 안정한 반도체 껍질층을 형성한 ‘핵/껍질 형태의 이종구조(Heterostructure)체’를 형성하여 표면 결함을 최소화하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만 일반적인 핵/껍질 형태의 이종구조에서 껍질층의 두께가 증가하게 되면 핵과 껍질사이의 격자 비일치에 따른 내부 결함(Internal Defect)이 발생하고, 그에 따라 급격한 광효율 저하현상을 동반하여 실제 디스플레이 및 바이오 센서에 적용되지 못한다는 한계를 지니고 있었다.

<그림 2> 구형양자우물구조 광소재의 껍질 두께 증가에 따른 깜빡임 현상 감소결과

KIST 배완기 박사팀은 기존 핵/껍질 구조가 지니는 한계를 극복하기 위하여, 씨앗/양자우물층/껍질로 이루어진 ‘구형양자우물구조 광소재’를 고안하였다. 이러한 신규 양자 광소재는 껍질층과 동일한 물질로 이루어진 씨앗(Seed) 결정 위에 구형양자우물구조 발광층을 적층하고 이를 다시 씨앗과 동일한 결정을 지니는 껍질로 둘러쌓은 형태(* 그림 1 참조)로써, 이종접합층간의 격자결맞춤(Coherently Strained Lattices)이 유도되어 껍질층의 두께가 증가하여도 내부 결함이 생성되지 않게 된다. 따라서 새롭게 개발된 구형양자우물구조 광소재는 기존 핵/껍질 구조의 양자점으로 구현할 수 없었던 높은 광효율과 광안정성을 모두 지니게 된다.  연구진은 개발된 구형양자우물구조 광소재가 용액 상에서 100%에 가까운 발광효율을 보일 뿐만 아니라, 기존 양자점(핵/껍질)의 문제점이었던 깜빡임(Blinking)을 거의 지니지 않음을 확인했다. 이는 격자결맞춤구조로 인해 두꺼운 껍질 형성 과정에서도 표면 결함 및 내부 결함 발생이 억제되어 나타났다는 것을 규명하였다.

<그림 3> 구형양자우물구조 광소재의 고온 안정성 평가

연구진은 실험을 통해 양자껍질구조의 씨앗 크기, 발광층 및 껍질 두께 조절을 통해 발광파장을 조절할 수 있음을 보였다. 뿐만 아니라, 두꺼운 껍질을 갖는 양자우물구조 광소재는 고농도의 용액상 혹은 필름 상에서도 기존의 핵/껍질 구조 양자점에 비해 압도적인 발광 특성을 지닌다. KIST 배완기 박사는 “이번에 개발된 광소재는 기존 양자점 구조(핵/껍질)에서 구현하기 힘들었던 우수한 발광효율을 지니며, 또한 열과 빛, 산소 등의 외부 요인들로부터 매우 안정하기 때문에, 차세대 디스플레이 및 바이오 센서 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 현재 연구진은 개발된 광소재를 이용한 친환경 양자 광소재 및 차세대 디스플레이 개발 연구에 박차를 가하고 있다.

 

본 연구는 KAIST 이도창 교수, 고려대학교 조진한 교수, 서울대학교 차국헌 교수 및 미국 Los Alamos National Laboratory의 Victor Klimov 박사 팀과 공동으로 수행되었고, KIST 기관고유 연구사업과 산업통상자원부(장관 주형환) 한국디스플레이연구조합 및 한국산업기술평가관리원 산업핵심기술개발사업, 한국연구재단 나노원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 미국 화학회 저널인 ‘ACS Nano’(IF:13.334)에 게재(10월 25일)되었다.

* (논문명) Colloidal Spherical Quantum Wells with Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and

              Suppressed Blinking
     - (제 1저자) 한국과학기술원 (KAIST) 정병국 박사과정
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 (KIST) 배완기 박사, 한국과학기술원 (KAIST) 이도창 교수,
                      University of California at Los Angeles  Philip Park 박사

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

과거 집집마다 있었던 TV는 CRT(일명 브라운관) TV로 바보상자라 불리우며 거실에 꽤나 넓은 부분을 차지하고 있었습니다. 하지만 TV는 빠르게 변화하며 PDP (Plasma Display Panel), LCD (Liquid Crystal Display)를 거쳐서 최근에는 OLED display (Organic Light Emitting Diode display)로 발전해 왔습니다. 요새 TV들은 상자라고 부르기도 민망할 정도로 얇아지고 밝고 선명한 색 재현율을 자랑하며 소비자들을 사로잡고 있습니다. 국내 TV 제조사인 삼성과 LG에서는 OLED 기반의 TV와 더불어 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점)을 기반으로한 TV 개발에도 매진하고 있습니다. 따라서 프리미엄 TV 시장은 OLED와 퀀텀닷 기반의 TV 두 가지로 나뉠 것이라는 전망이 되고 있습니다. 최근 뉴스에 따르면 삼성에서는 퀀텀닷 기반의 TV에서 더 나아가 QLED (Quantum dot Light Emitting Diode, 양자점발광다이오드)의 개발에 박차를 가하고 있다고 합니다. OLED 와 퀀텀닷 TV, QLED의 구성 원리는 무엇이며 어떤 장단점들을 가지고 있을까요?

<그림 1> 디스플레이의 변화


우선 OLED기반의 디스플레이는 상대적으로 대중에게 많이 익숙합니다. 삼성의 스마트폰 시리즈인 갤럭시S 시리즈가 OLED 디스플레이로 제작되었습니다. OLED는 전류가 흐르면 스스로 빛을 내는 유기(Organic) 인광물질을 활용한 디스플레이 방식입니다. 소자 자체가 스스로 발광하기 때문에 후방에서 빛을 낼 필요가 없는데요(백라이트 유닛 backlight unit 이라고 부릅니다), 그만큼 구조가 단순하여 얇은 디스플레이를 제작할 수 있습니다. 전류가 흐를 때 빛을 내는 구조이기 때문에, 전류를 차단하면 완벽한 검은색을 연출하며 뛰어난 명암대비 효과를 보여준다는 강점이 있습니다. 또한 굉장히 얇은 디스플레이를 제작할 수 있으며, 유기물을 사용하기 때문에 유연성도 가지고 있습니다. 따라서 플렉서블 디스플레이에 적용하기에 가장 적합한 것으로 알려져 있습니다.

 

<그림 2> OLED 디스플레이의 모습. 간단한 구조이기 때문에 플렉시블 디스플레이에 적용하기에 적합하다.


하지만 발광하는 유기물을 사용해야하기 때문에 값이 비싸고 수명이 길지 않다는 단점이 있습니다. 현재의 OLED TV는 오래 사용하였을 때 색이 변하는 등의 문제가 있습니다. 휴대폰 등 장시간 사용하는 디스플레이에서 번인 (burn-in)이라고 알려져 있는 현상이 그 대표적인 예입니다.

 

<그림 3> OLED의 번인


 

반면, 퀀텀닷기반의 디스플레이는 기존의 LCD를 개선한 것으로 OLED와 달리 유기물을 사용하지 않습니다. 퀀텀닷이란 나노미터(1nm = 10-9 m) 수준의 반도체 결정을 이야기하는데요, 이 퀀텀닷에 어떤 특정한 파장의 빛이 흡수될 경우, 퀀텀닷의 크기에 따라 다른 길이의 빛 파장을 발생시켜 다양한 색을 내게 됩니다. 이것을 필름의 형태로 패널에 올리거나, 패널의 백라이트 자체에 적용한 것이 퀀텀닷 TV입니다. 퀀텀닷 TV에 사용되는 나노입자는 기존 TV에 비해 월등히 뛰어난 색 재현율을 보이는데요, 색 재현율이 기존 LCD TV 보다 1.2배에서 1.3배 이상 높다고 합니다. 또한 유기물을 사용한 OLED에 비해 무기물을 사용하기 때문에 더 높은 ‘장기 안정성’을 가질 것이라고 예상할 수 있습니다.

 

<그림 4> 기존의 LCD와 퀀텀닷 기반의 디스플레이

 

<그림 5> 퀀텀닷의 크기에 따른 색깔 변화


하지만 퀀텀닷을 기반으로 한 TV는 아직 초기단계이기 때문에 몇 가지 문제점을 가지고 있습니다. 먼저 이론적으로는 퀀텀닷의 발광효율(같은 에너지를 주었을 때 빛을 더 밝게 낼수록 효율이 높음)이 높으며 색감을 풍부하게 표현할 수 있다고 알려져 있지만, 아직까지는 균일성을 가지는 퀀텀닷을 제작하는 데에 어려움이 있습니다. 그리고 현재 사용되는 퀀텀닷 디스플레이는 파란색 빛의 백라이트 유닛을 퀀텀닷을 이용, 다른 색으로 변환을 시키는 구조로 OLED에 비해 복잡하고 두껍습니다. 마지막으로 퀀텀닷 디스플레이가 극복해야할 부분은 열에 의한 수명의 단축입니다. 퀀텀닷은 높은 온도에서 불안정하기 때문에 고온에서의 안정성을 확보해야만 장기간 사용하는 TV의 디스플레이에 적용을 할 수 있을 것입니다.

<그림 6> 퀀텀닷 디스플레이의 구조


국내 TV 업체의 양대 산맥인 삼성과 LG에서 개발 중인 QLED는 OLED와 달리 무기물인 2~10 나노미터 크기의 퀀텀닷을 사용하여 백라이트유닛 없이 OLED처럼 스스로 빛을 내는 ‘자체 발광 소자’입니다. 퀀텀닷은 크기에 따라 다른 색을 내고, 무기물을 사용하기 때문에 유기물을 사용하는 OLED에 비해 내구성이 높습니다. 생산단가도 저렴하고, 광안정성과 색 선명도도 뛰어나다고 알려져 있습니다. 또한 수 나노미터 수준에서 색을 조절할 수 있기 때문에 색 표현력이 대폭 향상될 것으로 기대하고 있습니다. 아직 기술수준이 QLED의 제작에는 미치지 못하고 있지만 QLED는 퀀텀닷 기반 디스플레이와 OLED의 장점을 모두 가지는 디스플레이로 많은 소비자들의 기대를 모으고 있습니다.


 

<그림 7> 기존 RGB기반 LCD 구조(좌)와 QLED의 구조(우)의 차이점

 

구분

구조

장점

단점

OLED

발광 유기물을 이용 직접 컬러를 구현

얇고 선명함

플렉서블 가능

장기간 사용시

Burn-In 현상

퀀텀닷

기존 LCD개선, 백라이트 유닛의 빛을 변환하여 다양한 색상을 구현

뛰어난 색 재현

장기 안정성

두꺼움

고온 안정성

개발 초기단계

QLED

발광할 수 있는 나노미터 사이즈의 퀀텀닷을 이용하여 원하는 색을 직접 발광

높은 내구성, 저비용

선명도, 안정성

개발 초기단계

앞으로 다양한 종류의 전자기기에서 각종 디스플레이가 적용이 될 것입니다. 신제품이 나왔을 때, 디스플레이의 종류가 무엇인지, 어떤 장단점을 가지고 있는지 파악할 때 도움이 되면 좋겠습니다. TV 사러 가실 때 이정도만 알고 가셔도 좋겠죠?

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요