[위즈뉴스] 인간의 시각세포가 받아들이는 천연색의 순도를 실감나게 재현할 차세대 발광소재로 양자점이 주목을 받고 있다. 이 양자점의 효율과 수명 향상이 상용화 과제로 남은 가운데 양자점 표면의 결함이 오히려 발광 성능 향상의 실마리가 된다는 연구결과가 나왔다.
양자점(퀀텀닷, Quantum Dot)은 머리카락 두께의 약 1/10,000 크기의 반도체 결정 물질로, 크기를 바꿔 순도 높은 색상을 손쉽게 구현할 수 있다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 19일, 성균관대 임재훈 교수와 한국과학기술원(KAIST) 이도창 교수로 구성된 공동 연구팀이 QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명했다고 밝혔다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, IF=14.919)’ 9월 27일자에 게재됐다.
논문명은 'Surface state-induced barrierless carrier injection in quantum dot electroluminescent devices'이며, 성균관대 임재훈 교수와 KAIST 이도창 교수가 공동 교신저자로, KAIST 이현준 박사과정생이 제1저자로, 성균돤대 배완기 교수와 성균관대 정병국 박사가 공동저자로 참여했다.
연구팀의 임재훈 교수는 "이번 연구성과는 양자점 전계발광소자의 효율 및 수명향상을 위한 소자구조 설계, 양자점 발광체 개선, 신규 전하전달층 기술 개발에 활용돼 차세대 양자점 디스플레이를 실용화하는데 일조할 것으로 기대된다"고 말했다.
이어 "디스플레이 소자 뿐 아니라 나노결정 기반의 다양한 광전소자, 스마트 조명, 가상/증강현실, 인공지능 또는 사물 인터넷과의 융합을 통해 광(光)산업을 국가 핵심 산업으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
QLEDs(양자점 전계발광소자, Quantum dot Light-Emitting Diodes)는 양자점에 전자 음전하)와 정공(양전하)을 직접 주입하여 빛을 내는 디스플레이로. 색순도와 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.
나아가 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. 에너지 준위는 전하가 머물거나 이동할 수 있는 자리로 소재마다 높이가 다르다.
저전력, 고효율 양자점 전계발광소자 구현 원리를 제시한 이번 연구결과가 고해상도·장수명 디스플레이 구현을 앞당길 것으로 기대된다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술 개발사업, 신진연구사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.
