성균융합원 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀,

고휘도 양자점 발광소자 구현

- 성균관대-서울대학교 공동연구, Advanced Materials 논문 발표

- AR/VR, 옥외용 디스플레이, 조명, 광 치료 등 양자점 발광소자의 새로운 응용 가능성 제시

[사진] 임재훈 교수, 김병재 석박통합과정(왼쪽부터)

양자점 발광소자(Quantum dot-based light-emitting diodes, QLEDs)는 수 나노미터 수준의 반도체 나노입자인 양자점을 발광층으로 사용하고 전하의 직접주입을 통해 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 자발광 소자이다. 해당 기술은 높은 에너지 효율과 더불어 순수한 색을 만들어낼 수 있어 차세대 디스플레이 후보 기술로 주목받고 있으며, 이를 다른 광 기술 분야에 적용하기 위한 연구도 활발히 진행 중이다.

현재까지 구현된 양자점 발광소자는 그 활용처가 TV, 노트북, 핸드폰 등 중·저휘도(수백~수천 nit 수준) 디스플레이에 국한되어 있다. AR/VR 장치나 옥외 디스플레이, 나아가 조명이나 광 치료 기기 등 다양한 분야에 QLED가 사용되기 위해서는 수만 nit 이상의 고휘도 조건이 요구되는데, 지금까지의 QLED 소자는 고휘도에서 작동하지 않거나, 매우 낮은 소자 효율과 안정성을 보였다.

[연구 그림]

고휘도를 달성하기 위해서는 QLED를 높은 전류에서 구동해야 한다. 그러나 높은 전류에 의한 줄 열(Joule heat) 발생으로 소자의 열화가 가속화되고, 다중 여기자(Multi-exciton) 생성에 따른 비발광 오제(Auger) 재결합 증가로 양자점의 발광 효율이 저하돼, 고휘도의 QLED를 제작하기 어려웠다.

이에 에너지과학과 임재훈 교수 연구팀(제1저자 김병재 석박통합과정)은 서울대학교 전기전자공학부 곽정훈 교수 연구진과의 공동연구를 통해 이상의 문제를 해결할 수 있는 소재 및 소자 설계가 가능함을 밝혔다.

연구팀은 양자점을 구성하고 있는 쉘의 구조를 정교하게 조절해 고전류에서 발생하는 비발광 오제재결합을 효과적으로 억제함으로써, 높은 전류에서도 발광 효율을 유지할 수 있는 소재를 개발했다. 또한 열 전도도가 높은 실리콘 기판을 사용해 줄 열에 의한 소자의 열화를 억제했고, 광 추출 효율을 높이는 전면발광구조를 최적화해 휘도를 증가시켰다. 마지막으로 발광층 내부 양자점의 개수를 조절함으로써 발광 효율이 낮은 다중 여기자 형성을 최소화했다.

소재부터 소자까지 다각적 접근을 통해 제작된 QLED는 최대휘도 330만 nit(광출력 50mW), 전류효율75.6cd/A를 나타냈고, 초기 휘도 100nit에서의 예상 반감수명은 무려 1억 2500만시간(약 1만 4269년)에 달한다. 이는 지금까지 발표된 QLED 가운데 최고 휘도, 효율, 수명이다. 이번 연구결과는 QLED 디스플레이의 실용화 연구에 이바지함과 동시에 높은 휘도가 요구되는 AR/VR 장치나 옥외용 디스플레이에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한 자발광 QLED의 활용 범위를 디스플레이뿐만 아니라 조명, 레이저, 광 치료 등으로 넓혀 다양한 광 관련 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

이상의 결과는 소재·나노기술·과학 분야의 최고 권위 저널 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스’ 학술지에 10월 27일자로 온라인 공개되었으며, 연구재단 신진연구자사업, 미래소재디스커버리 사업의 지원으로 수행되었다.