삼성전자, 기술적 한계 극복한 자발광 QLED 청색 소재 개발...상용화 잰걸음
독자기술로 다시 한번 초격차 기술력 입증
지난 14일 세계적 학술지 ‘네이처’에 게재
[서울=뉴시스] 삼성전자 종합기술원 김광희(왼쪽부터) 전문연구원, 김태형 전문연구원, 장은주 펠로우, 김성우 연구원, 최선명 연구원. 사진 삼성전자
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 것이다.
삼성전자 종합기술원은 청색 자발광 QLED 개발에 성공하며 발광 효율 또한 이론효율 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 8만8900니트, 소자 구동 시간 1만6000여 시간(휘도 100니트 반감수명 기준)을 구현해낸 것 또한 의미 있는 성과다.
이번 연구 결과는 현지 시간 지난 14일 세계적인 학술지인 ‘네이처(Nature)’에 게재됐다.
◇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 연구진이 이번 성과를 낸 데에는 작년 11월 자발광 QLED 적색 소재 확보 경험이 큰 도움이 되었다.
◇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.
청색 자발광 QLED 소자 구조( 전극 > 정공주입층 > 퀀텀닷 발광층 > 전자주입층> 전극 층으로 이루어져 있다) 컨텀닷 발광층을 확대해서 살펴보면 청색 퀀텀닷 이중 발광층 구조가 보인다. 쉘과 코어로 이뤄져 있는 구조에 리간드가 뻗어나오는 구조
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.
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. 또 “삼성의 독자적인 퀀텀닷 기술로 다시 한번 기술적 한계를 극복했다”며 “이번 연구성과를 통해 자발광 QLED의 상용화 속도를 앞당길 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
◎공감언론 뉴시스 [email protected]
Copyright © NEWSIS.COM, 무단 전재 및 재배포 금지