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

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 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.

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

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