[논문]콜로이달 양자점을 이용한 디스플레이 응용 기술

김재민; 김지완

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문제 정의

먼저 상업적으로 제품이 나와 있는 PL 방식의 응용을 살펴보자. PL 방식 응용은 간단히 설명하면 현재 가장 많이 사용되고 있는 LCD의 Backlight Unit (BLU)에 들어가는 형광체 대신에 양자점을 적용하는 방식이다.
우수한 발광특성과 좁은 발광선폭(Full-Width at Half Maximum, FWHM)을 가지고 있는 양자점이 이미 산업적으로 이용이 되고 있으며, 자체 전계 발광 소자의 특성도 빠르게 향상되고 있다. 본고에서는 이러한 양자점 소재의 기술 현황과 향후 디스플레이 산업으로의 응용 전망에 대해 서술하고자 한다.
지금까지 현재 사용되고 있고, 앞으로 발전 가능성이 많은 다양한 양자점을 이용한 디스플레이 관련 응용 기술에 대하여 알아보았다. 현재 LG 디스플레이를 제외하고 대형 OLED TV 관련 기술을 가지고 있는 세트 업체가 없는 상황에서 삼성전자가 SUHD라는 고급 TV 라인에 양자점 기술을 도입하여 충분히 프리미엄 LCD TV 시장이 가능하다는 것을 보여주었다.

성능/효과

3) (Fig.7) 현재 발표되어 있는 가장 높은 효율의 QLED는 EQE가 약 20.5%로써 OLED의 효율에 근접한 결과를 보이고 있고, 수명도 100 nit에서 100,000 시간이 넘는 결과를 보여줬다.⁴⁾ 또한 작년에 미국의 Nanophotonica 연구팀은 RGB 삼원색 모두 EQE가 10%가 넘는 결과를 Nature Photonics에 보고하였고, 적색은 수명이 300,000 시간 이상, 녹색은 효율이 60 cd/A가 넘는 결과를 보였다.
5%로써 OLED의 효율에 근접한 결과를 보이고 있고, 수명도 100 nit에서 100,000 시간이 넘는 결과를 보여줬다.⁴⁾ 또한 작년에 미국의 Nanophotonica 연구팀은 RGB 삼원색 모두 EQE가 10%가 넘는 결과를 Nature Photonics에 보고하였고, 적색은 수명이 300,000 시간 이상, 녹색은 효율이 60 cd/A가 넘는 결과를 보였다.⁵⁾ (Fig.
OLED는 현재 한국이 양산 기술에 있어서 세계에서 가장 앞서고 있으며, 소형 OLED의 90% 이상을 삼성디스플레이가 차지하고 있는 블루 오션이었다. OLED는 디스플레이의 색이나 응답속도 등 기술적인 수치와 디자인 자유도 등 다양한 면에서 LCD를 앞선 기술이라고 할 수 있지만, 휴대폰 산업이 포화에 이르고, OLED를 이용한 대형 TV 기술이 아직 LCD에 비해 절대적인 우위에 있지 못하면서 한국은 현재 디스플레이 산업의 위기에 봉착해 있다.
우선 현재 사용되고 있는 고성능 양자점이 모두 카드뮴 기반의 양자점이기 때문에 카드뮴이 없는 즉, 독성이 없는 친환경 고성능 양자점을 합성하고, 이를 이용하여 QD film이나, QLED를 개발하는 연구가 선행되어야 한다. 둘째 양자점의 안정성과 양자점을 이용한 소자의 안정성이 보다 향상되어야 한다. 앞서 언급한대로 양자점은 빛과 열에 성능이 저하되는 특징이 있으며 이를 이용한 QLED 또한 향상되었다고 하나 아직 기존의 OLED에 비견될 만큼은 아니다.
양자점은 일반적으로 사용되고 있는 형광염료 (fluorescent dye)와 비교하여 다양한 장점을 지니고 있다. 우선 크기조절에 의한 양자제한효과를 통해 동일 조성의 양자점에서 다양한 스펙트럼을 방출할 수 있으며, 유기물질의 염료와 비교하여도 80% 이상의 매우 높은 양자효율 (quantum yield)을 나타낸다, 또한 30nm 이하의 발광선폭은 기존의 형광체에 비해 매우 좁기 때문에 색순도가 매우 우수한 발광 스펙트럼의 확보가 가능하다. 아울러 양자점은 무기물 계열의 반도체 조성이기 때문에 유기물 계열의 형광 염료와 비교하여 우수한 광안정성 (Photostability)을 가질 수 있다.

후속연구

⁶⁾ 이는 높은 전류밀도에서 QLED 의 발광효율을 감소시키는 주요 원인이기도 하다. 마지막으로 용액 공정 기반 기술과 같이 대면적 디스플레이에 적용될 만한 패터닝 기술이 개발되어야 한다. 현재 논문 상으로 나와 있는 기술들은 소형 디스플레이에는 가능할지 몰라도 10인치 이상 중형 디스플레이로의 적용은 용이하지 않다.
앞서 언급한대로 양자점은 빛과 열에 성능이 저하되는 특징이 있으며 이를 이용한 QLED 또한 향상되었다고 하나 아직 기존의 OLED에 비견될 만큼은 아니다. 셋째, 양자점의 깜빡임 (blinking)을 억제하여 연속적인 발광이 가능하도록 하는 기술 개발이 필요하다. 양자점에서는 엑시톤이 빛을 내지 않고 재결합 (nonradiative recombination)하는 주요 원인 중 하나는 오제 재결합 (auger recombination)이다.
QLED의 성능은 빠르게 발전하여 이미 OLED의 발광 효율과 비슷한 수준까지 왔지만 상용화하기에는 해결해야 할 문제들이 많이 있다. 향후 대량 생산이 된다면 OLED 이상의 가격 경쟁력과 디스플레이 성능을 가질거라 생각하고, 이를 위해서는 기술 개발에 적극적으로 나서서 핵심 기술을 확보하고 해외 국가들보다 먼저 앞서 나가야 한다. 따라서 정부와 디스플레이 업체들, 그리고 학계 간의 의사소통 및 체계적인 개발 전략과 투자가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점이란?	양자점이란 스스로 빛을 내는 수 나노미터 크기의 반도체 결정체를 말한다. 반도체 양자점은 conduction band edge와 valence band edge 에서 불연속적인 에너지 준위를 나타내고 있으며, 그 크기가 작아짐에 따라 에너지 준위의 불연속성은 심화되며, 결과적으로 양자점의 에너지 밴드갭 (Energy Band-Gap)이 증가하는 결과를 나타낸다.
	양자점의 발광현상은 어디에서 일어나는가?	양자점은 core/shell/ligand의 구조로 이루어져있다. 주요 발광 현상은 수 nm크기의 core에서 발생하며, core 를 둘러싼 shell은 core보다 밴드갭이 큰 물질을 이용하여 발광 효율을 높이고 안정성을 높여주는 역할을 한다. 밴드갭이 작은 코어의 표면에는 발광 효율을 저하시키는 표면 결함이 많이 존재하기 때문에 코어 표면에 거의 동일한 결정구조를 가짐으로써 격자 적합성이 우수하고 밴드갭이 큰 반도체 물질을 화학적인 방법으로 성장시켜 코어 표면의 표면결함을 제거할 수 있다.
	양자점의 장점은?	양자점은 일반적으로 사용되고 있는 형광염료 (fluorescent dye)와 비교하여 다양한 장점을 지니고 있다. 우선 크기조절에 의한 양자제한효과를 통해 동일 조성의 양자점에서 다양한 스펙트럼을 방출할 수 있으며, 유기물질의 염료와 비교하여도 80% 이상의 매우 높은 양자효율 (quantum yield)을 나타낸다, 또한 30nm 이하의 발광선폭은 기존의 형광체에 비해 매우 좁기 때문에 색순도가 매우 우수한 발광 스펙트럼의 확보가 가능하다. 아울러 양자점은 무기물 계열의 반도체 조성이기 때문에 유기물 계열의 형광 염료와 비교하여 우수한 광안정성 (Photostability)을 가질 수 있다.

참고문헌 (7)

Y. Shirasaki, G. J. Supran, M. Bawendi, and V. Bulovic, "Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies", Nat. Photonics, 7 13-23 (2012).

상세보기
J. Chen, V. Hardev, and J. Yurek, "Quantum-Dot Displays : Giving LCDs a Competitive Edge through Color", Information Display, 29 12-17 (2013).
T. H. Kim, K. S. Cho, E. K. Lee, S. J. Lee, J. Chae, J. W. Kim, D. H. Kim, J. Y. Kwon, G. Amaratunga, S. Y. Lee, B. L. Choi, Y. Kuk, J. M. Kim, and K. Kim, "Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing", Nat. Photonics, 5 176-182 (2011).

상세보기
X. Dai, Z. Zhang, Y. Jin, Y. Niu, H. Cao, X. Liang, L. Chen, J. Wang, and X. Peng, "Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots", Nature, 515 96-99 (2014).

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Y. Yang, Y. Zheng, W. Cao, A. Titov, J. Hyvonen, J. R. Manders, J. Xue, P. H. Holloway, and L. Qian, "High-efficiency light-emitting devices based on quantum dots with tailored nanostructures", Nat. Photonics, 9 259-266 (2015).

상세보기
W. K. Bae, Y. S. Park, J. H. Lim, D. Lee, L. A. Padilha, H. McDaniel, I. Robel, C. Lee, J. M. Pietryga, and V. I. Kilimo, "Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes," Nat. Commun., 4 2661 (2013).

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