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QLED의 저전력 구동 원리 규명

고효율·장수명 디스플레이 구현의 실마리 잡아

[산업일보]
천연색의 순도를 실감나게 재현할 차세대 발광소재로 주목받는 양자점(퀀텀닷, Quantum Dot) 표면의 결함이 오히려 발광 성능 향상의 실마리가 된다는 연구결과가 나왔다. 이에 따라 고해상도·장수명 디스플레이 구현을 앞당길 것으로 기대된다.

양자점은 머리카락 두께의 약 1/10,000 크기의 반도체 결정 물질. 크기를 바꿔 순도 높은 색상을 손쉽게 구현할 수 있다.

한국연구재단은 임재훈 교수(성균관대학교), 이도창 교수(한국과학기술원) 공동 연구팀(이현준, 제 1저자)이 QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

QLEDs(양자점 전계발광소자, Quantum dot Light-Emitting Diodes)는 양자점에 전자(음전하)와 정공(양전하)을 직접 주입해 빛을 내는 디스플레이로, 색순도, 전력소모, 밝기 특성이 우수해 차세대 평판 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 다만, 효율과 수명 향상이 상용화 과제로 남은 상황이었다.

기존에는 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.

그런데 연구팀은 일부 양자점에서 전하 주입 장벽의 존재에도 불구하고 2V보다 낮은 1.5V 전압으로도 빛을 내는 것을 알아냈다. 구동전압이 낮을수록 소자작동에 필요한 에너지가 줄어들기에 상용화에 유리하기 때문이다.

또한 이 과정에서 양자점 표면 결함이 양자점을 중심으로 배열된 서로 다른 소재간 에너지 준위 재정렬을 유도해 전하 주입 장벽을 어느 정도 상쇄할 수 있는 디딤돌로 작용한다는 것을 밝혀냈다.
QLED의 저전력 구동 원리 규명
양자점 전계발광소자의 구동 특성과 에너지 준위 (자료=한국과학기술원 이현준 박사과정)

양자점을 둘러싼 전기전도층의 전자가 양자점 표면의 결함으로 이동해 내부 전기장을 형성함으로써 소자 내 각 층간 에너지 준위 차이를 좁혀 전하의 이동을 원활하게 한다는 것이다.

연구팀은 이번 연구결과를 양자점 전계발광소자의 효율 및 수명 향상을 위한 소자구조 설계, 양자점 발광체 개선, 신규 전하전달층 기술 개발에 활용해 차세대 양자점 디스플레이를 실용화하는데 일조할 것으로 기대했다.

또한, 디스플레이 소자 뿐만 아니라 나노결정 기반의 다양한 광전소자, 스마트 조명, 가상/증강현실, 인공지능(AI) 또는 사물 인터넷(IoT)과의 융합을 통해 광(光)산업을 국가 핵심 산업으로 발전시킬 수 있을 것으로 전망했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재 기술 개발사업, 신진연구사업, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행됐다.
김원정 기자 sanup20@kidd.co.kr

제조기업 강국이 되는 그날까지, 공장자동화 스마트팩토리에 대한 뉴스를 기획·심층 보도하겠습니다.

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