QLED 거침없이 빛난다
양자점 표면 결함이 전하 주입 장벽 해소 근본원인
□ 우리 시각세포가 받아들이는 천연색의 순도를 실감나게 재현할 차세대 발광소재로 주목받는 양자점. 효율과 수명 향상이 상용화 과제로 남은 가운데 양자점 표면의 결함이 오히려 발광 성능 향상의 실마리가 된다는 연구결과가 나왔다.
※ 양자점(퀀텀닷, Quantum Dot) : 머리카락 두께의 약 1/10,000 크기의 반도체 결정 물질. 크기를 바꿔 순도 높은 색상을 손쉽게 구현할 수 있다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 임재훈 교수(성균관대학교), 이도창 교수(한국과학기술원) 공동 연구팀(이현준, 제 1저자)이 QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명했다고 밝혔다.
※ QLEDs(양자점 전계발광소자, Quantum dot Light-Emitting Diodes) : 양자점에 전자 (음전하)와 정공(양전하)을 직접 주입하여 빛을 내는 디스플레이. 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 장벽 : 전류의 흐름을 방해하는 장애물. 전계발광소자의 최소 구동 전압을 높이는 주범이며, 소재 간 에너지준위의 차이에 의해서 발생한다.
□ 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.
그림 : 한국과학기술원 이현준 박사과정
○ 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 준위 : 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.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술 개발사업, 신진연구사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communi cations)’에 2021년 9월 27일 게재되었다.
