국내 연구진이 양자점 발광다이오드(QLED)의 성능을 개선하는 기술 개발에 성공했다.

최근 자연에 가까운 색을 재현하는 디스플레이 수요가 증가하고 있어 가장 넓은 색 영역을 제공하는 QLED 기술에 대한 관심 또한 높아지는 추세다. 이 같은 상황에서 국전자통신연구원(ETRI)이 'QLED 정공 주입 개선 기술' 개발을 통해 양자점 표면을 구성하고 있는 분자체를 바꿔 QLED의 밝기, 전류 및 전력 효율을 향상시킬 수 있는 핵심 기술을 개발했다고 최근 밝혔다.

QLED는 자체적으로 빛을 내는 반도체 입자인 양자점을 이용한 디스플레이 기술이다. 기존 OLED가 유기물을 이용한 반면 QLED는 유기물 대신 반도체(양자점)을 활용한다.

QLED 기술의 가장 큰 난제는 발광 층 내 전자-정공 이동 불균형 현상이다. QLED 디스플레이를 구성하는 소자는 양 전극에서 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 양자점에서 만나 빛을 내게 된다. 그런데 전자는 자유롭게 위아래로 잘 이동한다는 특징이 있지만, 정공의 경우 전극과 양자점 에너지 간 전달이 더뎌 이동이 힘들다. 이런 문제는 양자점 발광다이오드의 성능을 떨어뜨리고 소자의 수명을 짧게 만든다.

연구진은 디스플레이에서 밝게 빛나는 발광층 위에 양자점을 깔고 정공 쪽에 해당되는 부분만 피리딘이라는 물질로 바꿔 불균형 문제를 해결했다. 피리딘으로 인해 정공을 쉽고 빠르게 이동시킬 수 있었다는 게 연구진의 설명이다. 이렇게 피리딘으로 바꾼 결과 양자점과 정공 수송층 사이의 거리가 줄어들고 중간 에너지 층이 만들어졌다. 중간 에너지 층은 정공을 보다 원활히 전달하도록 도와 전자와 정공이 만나 빛을 내는 효율을 높여준다.

하나의 층에 전자와 정공이 동시에 존재해야 빛이 나게 되기 때문이다.

기존에는 전자만 원활하게 이동하고 정공이 뒤따라 오질 못했다. 또 정공을 추가로 주입하게 되면 전압을 더 가해야만 했다. 하지만 연구진에 의해 추가적인 전압이 필요 없이도 정공이 자유롭고 원활하게 이동함이 따라 낮은 전압에서도 빛이 나게 되는 셈이다.

즉 OLED와 같은 전압인데도 불구, 정공의 움직임이 빨라져 이동성이 빠른 전자와 많이 만나게 되어 밝게 빛이 나는 것이다.

그 결과, 기존 소자에 비해 최대 4.5배의 밝기, 1.7배의 전류효율, 2.3배의 전력효율을 가지는 양자점 발광 다이오드의 구현이 가능해졌다.

연구진은 이번에 개발한 기술의 경우 적·녹·청(RGB) 모든 색상 양자점에 동일하게 적용할 수 있어 향후 QLED 상용화에 큰 도움이 될 것으로 보고 있다.

이현구 ETRI 유연소자연구그룹장은 "향후 본 기술을 연구진이 개발 중인 마이크로 디스플레이도 적용해 볼 계획"이라며 "미국 국가 텔레비전 시스템 위원회(NTSC) 기준 약 159%의 색 재현율을 보여 자연색에 보다 가까운 색상구현도 가능해 차세대 디스플레이 등에 다양하게 적용될 것으로 보인다"고 말했다.

이 기술은 증강·가상현실(AR·VR)용 초고해상도 머리 착용형 디스플레이(HMD), 안구 근접(Near Eye) 디스플레이, 생체 자극·억제를 위한 이식형 광자극 광원 등 다양한 산업에서 활용될 것으로 전망돼 시장전망도 밝다.

박광하 기자 다른기사 보기