[논문]콜로이드 양자점 기반 백색 발광다이오드 연구동향

김재윤; 곽정훈

콜로이드 양자점 기반 백색 발광다이오드 연구동향 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.29 no.5, 2016년, pp.22 - 32

김재윤 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부) , 곽정훈 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부)

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문제 정의

QLED의 상용화 까지는 아직 시간이 조금 더 걸릴 것으로 예상 되지만, 여러 분야의 연구자들이 힘을 모야 노력한다면 OLED를 뛰어 넘는 디스플레이 기술로 한 자리를 차지할 수 있을 것으로 생각한다. QLED 시대에 대한 기대와 함께 본 글을 마무리 하고자 한다.
이러한 장점 덕분에 QLED는 현재 모바일 기기부터 대형 TV에 이르기까지 빠른 속도로 그 영역을 점차 넓히고 있는 유기발광다이오드 (organic light-emitting diode, OLED)의 뒤를 이을 수 있는 기술로 학계와 산업계 모두로부터 받고 있다. 본고에서는 이러한 QLED 기술에 대해 간략하게 설명하고, 여러 연구개발 내용 가운데 조명, 컬러필터와 조합하여 풀 컬러 디스플레이로 응용이 가능한 백색 QLED의 개발 현황에 대해 살펴보고자 한다.
Inverted 구조를 이용하여 EQE 1% 내외, 최대 휘도도 5,000~6,000 cd/m²수준의 우수한 특성을 나타내었다. 이 논문에서는 다양한 양자점 발광층을 구성하여 백색 광원의 다양한 응용을 제시하였다. 그림 5에 나타난 것처럼, 상대적으로 제작이 간단한 2파장의 경우 indicator와 같은 간단한 백색 표시장치에, 3파장은 LCD 백라이트 및 디스플레이 응용, 4파장은 높은 CRI (92.
따라서 조명 및 풀 컬러 디스플레이 등 활용도가 높을 것으로 기대된다. 이어지는 절에서 백색 QLED의 연구 현황에 대해 보다 자세히 살펴보고자 한다.
지금까지 백색 QLED의 연구 동향에 대해 살펴보았다. 다양한 응용 가능성을 가진 백색 QLED는 그 성능이 두드러지게 향상되고 있다.

제안 방법

2013년에 보고된 논문에서는 polydimethylsiloxane (PDMS) 스탬프를 이용한 transfer printing 방법을 사용하여 R, G, B 양자점 발광층을 적층, 백색 QLED를 제작하였다 [19]. Monolayer 수준으로 매우 얇은 양자점 필름의 pick-up 수율 향상을 위해 그림 10(a)와 같이 물에 쉽게 제거가 가능한 poly vinylalcohol (PVA)를 lifting 층으로 사용하고, transfer 전에 이를 제거 하는 방법을 사용하여 다색 양자점을 적층하였고, 전자/정공 전달층으로 각각 TiO2와 poly[9,9-dioctylfluorene-co-N-[4-(3- methylpropyl)]-diphenylamine] (TFB)를 사용하였다. 이 방법을 이용하면 R, G, B 양자점의 적층 순서를 자유롭게 조절할 수 있으며, 이에 따른 소자 특성의 차이를 살펴볼 수 있다.
2015년, 홍익대학교 연구팀은 청색 발광 CdZnS/ZnS 양자점과 비-카드뮴계인 황색 발광 Cu-In-S (CIS)/ZnS 양자점을 적층하여 2파장의 백색 QLED도 보고하였다 [20]. CIS 양자점은 카드뮴계 양자점과 에너지 준위가 크게 차이가 나기 때문에 혼합층을 형성하는 것 보다는 적층 형태로 제작하는 것이 더 효율적이며, 스핀코팅을 이용하여 두 층의 양자점을 쌓기 위해 CIS 양자점을 먼저 코팅 후 3-mercaptopropionic acid를 이용하여 표면 개질을 하였다. 이 과정을 통해 이후 진행되는 CdZnS 양자점 적층 시 손상을 최소화 할 수 있으며, 이 소자는 최대 휘도 700 cd/m² 내외, 전류 효율 0.
그림 3. OLED와 QLED의 전기발광 스펙트럼 비교.
T V나 모니터와 같은 액정디스플레이 (liquid crystal display ; LCD ) 장치에 적색과 녹색 양자점이 LCD 백라이트를 위한 형광체로 사용되기 시작한 것이다. 양자점의 우수한 광학적 특성은 LCD의 약점으로 여겨지던 적색과 녹색 색순도를 비약적으로 향상시켜, National Television System Committee (NTSC) 1953에서 정의한 색영역 기준의 100%에 이르는 우수한 색재현율 (color gamut)을 갖게 한다. 최근 2년 동안 세계 최대의 가전 박람회 가운데 하나인 Consumer Electronics Show (CES)에서도 주요 가전 업체들이 전시한 양자점 적용 LCD TV 제품은 세계인의 이목을 집중시켰다.
이 논문에서는 밴드갭이 큰 청색 양자점에도 효율적으로 에너지/전하 전달을 할 수 있도록 더 큰 밴드갭을 갖는 4,4′,N,N′-diphenylcarbazole (CBP)를 호스트 및 정공 전달 물질로 사용하였고, 적층 문제를 해결하기 위해 CBP와 R, G, B 양자점을 모두 섞어서 층을 형성하였다.

성능/효과

2014년 서울대학교 공동연구팀은 각각 청색과 황색 (2파장), 청색, 녹색, 적색 (3파장), 그리고 (OLED에서는 시도하기에 까다로운) 청색, 녹색, 황색, 적색 (4파장)의 양자점 발광층을 갖는 다양한 종류의 백색 QLED를 개발하였다 [7]. Inverted 구조를 이용하여 EQE 1% 내외, 최대 휘도도 5,000~6,000 cd/m²수준의 우수한 특성을 나타내었다. 이 논문에서는 다양한 양자점 발광층을 구성하여 백색 광원의 다양한 응용을 제시하였다.
이 논문에서는 밴드갭이 큰 청색 양자점에도 효율적으로 에너지/전하 전달을 할 수 있도록 더 큰 밴드갭을 갖는 4,4′,N,N′-diphenylcarbazole (CBP)를 호스트 및 정공 전달 물질로 사용하였고, 적층 문제를 해결하기 위해 CBP와 R, G, B 양자점을 모두 섞어서 층을 형성하였다. 그 결과, 3개의 양자점 고유의 스펙트럼으로 이루어진 백색 발광을 얻었으며, 최대 휘도 1,050 cd/m², 전류효율 1.8 cd/A를 달성하였다. (그림 4(a), 4(b)) 이듬해 MIT의 Bawendi-Bulović 공동연구팀은 이와 유사한 소자 구조 (그림 4(c))를 이용하여 EQE 0.
따라서 용액 상태에서 청색, 녹색, 적색 등 양자점의 혼합 비율만 잘 조절하면 된다. 둘째, 각 색상의 peak 파장 조절이 쉬우므로 백색 색좌표, 색온도 조절이 자유롭다. OLED의 경우 peak 파장을 조절하기 위해서는 새로운 염료를 합성해야 하고 경우에 따라 염료에 적합한 호스트와 주변전달층 재료와 최적 소자구조도 바뀌어야 한다.
이 논문은 R, G, B 양자점을 각각 1:2:10의 비율로 혼합 하였는데, 각 양자점의 전류-전압 특성 차이 때문에 그림 4(e)와 같이 구동전압에 따라 스펙트럼 및 색좌표 변화가 나타나게 된다. 또한 백색 QLED 소자의 효율은 일반적으로 가장 낮은 성능을 나타내는 청색 QLED의 수준을 넘을 수 없음을 보여주었다.
두 번째는 이렇게 합성한 청색 양자점은 밴드갭이 크고 valence band 에너지 준위가 보통 –7 eV 이하로 깊이 내려가 있기 때문에 양자점으로 정공을 주입하는 것은 쉽지 않다는 점이다. 모든 QLED 연구결과를 망라하였을 때, 450 nm 이하의 위치에 peak을 갖는 청색 QLED에 대한 연구는 짐작컨대 10%도 채 안될 것이다. 정확한 정보는 아니지만, 그만큼 청색 QLED의 구현이 어렵다는 뜻이다.
9%의 매우 높은 성능을 나타내었으며, 이는 백색 QLED 가운데 가장 높은 성능으로 생각된다 [10]. 양자점의 발광 효율은 RGB 모두 75%-82%에 이르렀으며, 이에 따라 청색 양자점의 혼합 비율 또한 녹색이나 적색의 1.5배-2배 정도로 낮음에도 불구하고 bluish white가 될 만큼 청색 발광 성능이 우수하다 (그림 6). 이 연구 결과 중 transient 발광특성 분석 및 스펙트럼 관찰 부분은 앞서 언급한 것처럼 photoluminescence에서의 에너지 전달에 비해 electroluminescence에서의 에너지 전달이 훨씬 적게 일어남을 알려주고 있다.
5배-2배 정도로 낮음에도 불구하고 bluish white가 될 만큼 청색 발광 성능이 우수하다 (그림 6). 이 연구 결과 중 transient 발광특성 분석 및 스펙트럼 관찰 부분은 앞서 언급한 것처럼 photoluminescence에서의 에너지 전달에 비해 electroluminescence에서의 에너지 전달이 훨씬 적게 일어남을 알려주고 있다.
여기서도 앞선 연구 결과들과 마찬가지로 청색 양자점의 혼합 비율이 높았으며, 각 양자점의 발광 특성 차이로 인해 구동 전압에 따라 스펙트럼과 색좌표 변화가 나타났다. 하지만 3 V 이하의 매우 낮은 turn-on 전압, 최초로 4파장 백색 QLED 구현, 그리고 다양한 응용 제시를 통해 백색 QLED의 활용 가능성을 보여 주었다.

후속연구

특히 OLED 등 경쟁 기술에 비해 백색 발광소자의 제작 방법, 색좌표 및 색온도 조절이 용이한 장점이 있다. 따라서 조명 및 풀 컬러 디스플레이 등 활용도가 높을 것으로 기대된다. 이어지는 절에서 백색 QLED의 연구 현황에 대해 보다 자세히 살펴보고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자 구속효과의 원리는 무엇인가?	나머지 방향으로도 크기를 줄여 0차원에 가까워지도록 만들었을 때, 이 반도체 결정을 양자점 (quantum dot)이라고 부른다. 즉, 양자점이란 수 나노미터 정도 크기의 ‘나노결정 반도체’ 물질이다. 매우 작은 크기 때문에 양자점 내에 전자가 분포할 수 있는 공간의 크기가 작아지고, 이로 인해 에너지 준위들이 양자화 되고 그 간격인 밴드갭 (bandgap)이 넓어지며 양자점의 크기에 따라 밴드갭 역시 달라진다. 이러한 현상을 양자 구속효과 (quantum confinement effect)라고 한다.
	양자점의 우수한 광학적 특성을 액정 디스플레이 장치에 적용함으로써 얻을 수 있는 이점은?	T V나 모니터와 같 은 액 정 디 스 플레이 (liquid cr ystal d i s p l ay ; LC D ) 장치에 적색과 녹색 양자점이 LCD 백라이트를 위한 형광체로 사용되기 시작한 것이다. 양자점의 우수한 광학적 특성은 LCD의 약점으로 여겨지던 적색과 녹색 색순도를 비약적으로 향상시켜, National Television System Committee (NTSC) 1953에서 정의한 색영역 기준의 100%에 이르는 우수한 색재현율 (color gamut)을 갖게 한다. 최근 2년 동안 세계 최대의 가전 박람회 가운데 하나인 Consumer Electronics Show (CES)에서도 주요 가전 업체들이 전시한 양자점 적용 LCD TV 제품은 세계인의 이목을 집중시켰다.
	양자점이란 무엇인가?	나머지 방향으로도 크기를 줄여 0차원에 가까워지도록 만들었을 때, 이 반도체 결정을 양자점 (quantum dot)이라고 부른다. 즉, 양자점이란 수 나노미터 정도 크기의 ‘나노결정 반도체’ 물질이다. 매우 작은 크기 때문에 양자점 내에 전자가 분포할 수 있는 공간의 크기가 작아지고, 이로 인해 에너지 준위들이 양자화 되고 그 간격인 밴드갭 (bandgap)이 넓어지며 양자점의 크기에 따라 밴드갭 역시 달라진다.

참고문헌 (20)

Y. Shirasaki et al., "Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies," Nature Photonics, Vol. 7, pp. 13-23, 2013

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J. Kwak et al., "Bright and Efficient Full-Color Colloidal Quantum Dot Light-Emitting Diodes Using an Inverted Device Structure," Nano Letters, Vol. 12, pp. 2362-2366, 2012

상세보기
X. Dai et al., "Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots," Nature, Vol. 515, pp. 96-99, 2014

상세보기
T.-H. Kim et al., "Full-colour quantum dot displays fabricated by transfer printing," Nature Photonics, Vol. 5, pp. 176-182, 2011

상세보기
L. Sun et al., "Bright infrared quantum-dot light-emitting diodes through inter-dot spacing control," Nature Nanotechnology, Vol. 7, pp. 369-373, 2012

상세보기
J. Kwak et al., "High-power genuine ultraviolet light-emitting diodes based on colloidal nanocrystal quantum dots," Nano Letters, Vol. 15, pp. 3793-3799, 2015

상세보기
W. K. Bae et al., "R/G/B/natural white light thin colloidal quantum dot-based lightemitting devices," Advanced Materials, Vol. 26, pp. 6387-6393, 2014

상세보기
Y. Li et al., "Bright white-light-emitting device from ternary nanocrystal composites," Advanced Materials, Vol. 18, pp. 2545-2548, 2006

상세보기
P. O. Anikeeva et al., "Electroluminescence from a mixed red-green-blue colloidal quantum dot monolayer," Nano Letters, Vol. 7, pp. 2196-2200, 2007

상세보기
K.-H. Lee et al., "Highly efficient, color-reproducible full-color electroluminescent devices based on red/green/blue quantum dot-mixed multilayer," ACS Nano, Vol. 9, pp. 10941-10949, 2015

상세보기
Z. Tan et al., "Stable binary complementary white light-emitting diodes based on quantum-dot/polymer-bilayer structures," IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 20, pp. 1998-2000, 2008

상세보기
M. A. Schreuder et al., "White light-emitting diodes based on ultrasmall cdse nanocrystal electroluminescence," Nano Letters, Vol. 10, pp. 573-576, 2010

상세보기
Y. Zhang et al., "Employing heavy metal-free colloidal quantum dots in solution-processed white light-emitting diodes," Nano Letters, Vol. 11, pp. 329-332.

상세보기
X. Yang et al., "Full visible range covering inp/zns nanocrystals with high photometric per formance and their applicat ion to white quantum dot light-emitting diodes," Advanced Materials, Vol. 24, pp. 4180-4185, 2012

상세보기
X. Yang et al., "A bright cadmium-free, hybrid organic/quantum dot white light-emitting diode," Applied Physics Letters, Vol. 101, p. 233110, 2012
Y. Li et al., "White organic light-emitting devices with CdSe/ZnS quantum dots as a red emitter," Journal of Applied Physics, Vol. 97, p. 113501, 2005

상세보기
G. Cheng et al., "White light-emitting devices based on the combined emission from red CdSe/ZnS quantum dots, green phosphorescent, and blue fluorescent organic molecules," Applied Physics Letters, Vol. 94, p. 243506, 2009

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N. Kim et al., "Color temperature control of quantum dot white light emitting diodes by grafting organic fluorescent molecules," Journal of Materials Chemistry C, Vol. 2, pp. 9800-9804, 2014

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T.-H. Kim et al., "Heterogeneous stacking of nanodot monolayers by dry pick-and-place transfer and its applications in quantum dot light-emitting diodes," Nature Communications, Vol. 4, p. 2637, 2013

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J.-H. Kim et al., "Fabrication of a white electroluminescent device based on bilayered yellow and blue quantum dots," Nanoscale, Vol. 7, pp. 5363-5370, 2015

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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