‘자발광 청색 QLED 개발’, 삼성전자 독자기술로 다시 한번 기술력 입증

2020/10/20
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삼성전자가 업계 최고 수준의 친환경 청색 자발광 QLED(Quantum Dot LED, 양자점발광다이오드)를 개발했다. 지난해 친환경 적색 자발광 QLED의 이론효율과 높은 신뢰성을 달성한 데 이어, QLED 삼원색(적색, 청색, 녹색) 중 가장 구현하기 어려운 청색 성능까지 확보하며 퀀텀닷(Quantum Dot, QD) 분야의 기술력을 다시 한번 입증한 것.

삼성전자 종합기술원은 청색 자발광 QLED 개발에 성공하며 발광 효율 또한 이론효율[1] 수준인 20.2%까지 끌어올렸다. 자발광 QLED는 눈으로 볼 수 있는 모든 빛의 영역에서 순수하고 선명한 빛을 표현할 수 있고, 스스로 빛을 내기 때문에 활용 폭이 넓은 디스플레이 기술이다. 최대 휘도[2] 88,900니트, 소자 구동 시간 1만 6,000여 시간 (휘도 100니트 반감수명 기준[3])을 구현해낸 것 또한 의미 있는 성과다.

이번 연구 결과는 현지 시간 지난 14일 세계적인 학술지인 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다. 뉴스룸이 삼성전자 종합기술원 장은주 펠로우와 김태형 전문연구원을 만나 이번 연구에 관한 이야기를 들었다.

 

청색이 자발광 QLED 삼원색 중 가장 구현하기 어려운 이유

퀀텀닷은 육안으로 볼 수 없는 나노 크기, 즉 머리카락을 수만 분의 일로 나눈 만큼 작은 초미세 반도체 입자다. 퀀텀닷은 빛을 받으면 입자 크기와 조성에 따라 각기 다른 컬러를 만들어 낼 수 있다.

삼원색 중 에너지 밴드갭[4]이 가장 큰 퀀텀닷으로 만들어지는 청색은 외부의 산소와 빛에 가장 불안정하다. 그 때문에 효율적인 구조를 설계하기 어렵고, 수명이 짧다. 이런 어려움으로 인해 업계에서는 자발광 QLED에 맞는 최적의 청색 소재조차 찾지 못한 상태였다.

삼성전자 종합기술원 김태형 전문연구원

▲ 삼성전자 종합기술원 김태형 전문연구원

삼성전자 종합기술원 연구진이 이번 성과를 낸 데에는 작년 11월 자발광 QLED 적색 소재 확보 경험이 큰 도움이 되었다. 삼성전자 종합기술원 김태형 전문연구원(제 1저자)은 “처음 청색 퀀텀닷을 연구할 때는 적색과 녹색 퀀텀닷에 사용되는 인화인듐(InP) 물질을 사용했는데, 청색 발광도 어렵고 특성이 좋지 않았다”며 “효율과 안정성을 확보할 수 있는 징크셀레나이드(ZnSe) 기반 물질로 바꾸어 청색 개발에 집중했다”고 전했다. 그는 “기존 인화인듐(InP) 합성과 적색 자발광 QLED를 개발했던 경험 덕분에 비교적 짧은 시간에 새로운 물질을 활용해 우수한 특성을 얻을 수 있었던 것 같다”고 말했다.

 

한계 극복한 자발광 QLED 청색 소재 개발, 상용화에 한 걸음 더

퀀텀닷은 기본적으로 ‘코어(Core)+쉘(Shell)+리간드(Ligand)’의 구조로 이루어져 있다. 코어가 발광을 담당한다면, 쉘은 발광 효율과 수명을 높여주기 위해 코어를 감싸고 있는 부분이다. 가장 외곽에 존재하는 리간드는 나노 입자들이 뭉치지 않고 거리를 유지해 빛을 잘 낼 수 있도록 돕는다.

청색 자발광 QLED 소자 구조( 전극 > 전자주입층 > 퀀텀닷 발광층 > 전공주입층> 전극 층으로 이루어져 있다), 퀀텀닷 발광층을 확대해서 살펴보면 청색 퀀텀닷 이중 발광층 구조가 보인다. 쉘과 코어로 이뤄져 있는 구조에 리간드가 뻗어나오는 구조

연구진은 퀀텀닷 소재의 안정성을 높이고 광 반응에 대한 내구성을 확보하는 데 주력했다. 청색 퀀텀닷의 효율이 이론적으로 확보되도록 결함을 제거한 것 외에도, 청색 입자 표면에 있는 리간드의 전류 주입을 개선하기 위해 길이가 짧은 무기계 이온으로 치환한 퀀텀닷을 이중 발광층 구조로 적용했다. 이를 통해 청색 자발광 QLED 소자의 발광 효율을 이론적 한계 수준까지 끌어올릴 수 있었다.

삼성전자 종합기술원 장은주 펠로우

▲ 삼성전자 종합기술원 장은주 펠로우

삼성전자가 자발광 QLED 청색 소재를 개발해내며 퀀텀닷 기술을 활용한 차세대 디스플레이 개발은 한층 활기를 띨 전망이다. 장은주 펠로우(교신저자)는 “자발광 QLED에 적용 가능한 청색 소재를 발굴하고, 소자 수준에서 업계 최고 수준의 성능을 입증한 것이 이번 연구 성과의 큰 의미”라고 말했다. 또한, “삼성의 독자적인 퀀텀닷 기술로 다시 한번 기술적 한계를 극복했다”며 “이번 연구성과를 통해 자발광 QLED의 상용화 속도를 앞당길 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

(왼쪽부터) 삼성전자 종합기술원 김광희 전문연구원, 김태형 전문연구원, 장은주 펠로우, 김성우 연구원, 최선명 연구원

▲ (왼쪽부터) 삼성전자 종합기술원 김광희 전문연구원, 김태형 전문연구원, 장은주 펠로우, 김성우 연구원, 최선명 연구원


[1]주입된 전체 전하량에 대해 수직방향으로 방출되는 빛의 변환 비율

[2]전압을 증가시켰을 때 소자에서 방출되는 빛의 최대 밝기

[3]기준 휘도가 100니트일 때, 밝기가 50%로 감소하는데 걸리는 시간

[4]가전자대의 가장 높은 부분과 전도대의 가장 낮은 부분 사이의 에너지 준위 차이. 밴드갭의 대소로 물질이 발광하는 색깔이 결정된다.

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