초록 ▼

본 연구는 최근 차세대 전자재료로 주목받기 시작한 콜로이드 양자점(quantum dot, QD)을 이용하여 디스플레이 및 조명을 위한 백색 양자점 발광다이오드(QD light-emitting diode, QLED)를 개발한 과제로, 총 3년간의 사업을 통해 아래와 같은 우수한 연구성과를 거두었다.
백색QLED의 개발을 위해, 먼저 다양한 색을 발광하는 단색의 고효율 QLED를 개발하였다. 재료 측면에 서는 여러 번의 정제과정 후에도 PL 기준 80% 이상의 높은 발광효율을 갖는 core-multishell 구조와 alloyed

본 연구는 최근 차세대 전자재료로 주목받기 시작한 콜로이드 양자점(quantum dot, QD)을 이용하여 디스플레이 및 조명을 위한 백색 양자점 발광다이오드(QD light-emitting diode, QLED)를 개발한 과제로, 총 3년간의 사업을 통해 아래와 같은 우수한 연구성과를 거두었다.
백색QLED의 개발을 위해, 먼저 다양한 색을 발광하는 단색의 고효율 QLED를 개발하였다. 재료 측면에 서는 여러 번의 정제과정 후에도 PL 기준 80% 이상의 높은 발광효율을 갖는 core-multishell 구조와 alloyed core-shell 구조의 QD를 제작하였고, 소자구조 측면에서 ZnO 나노입자를 이용하여 유기물과 무기나노결정인 QD와의 에너지 레벨 정렬을 극대화 할 수 있는 inverted 소자구조를 개발하였다. 이 결과, 적색, 녹색, 청색 등 단색 QLED의 효율이 기존의 연구 수준에 비해 적게는 2배, 많게는 10배가량 증가하였고, 소자의 안정성도 수십 배 향상되었다. 또한 최대 휘도도 비약적으로 커졌으며, 특히 녹색 QLED의 경우 20만 cd/m2 이상의 휘도를 기록하며 세계최고 수준의 값을 나타내었다. 이 결과는 관련분야 우수학술지인 Nano Letters지에 게재되었으며, 국내 언론보도 뿐만 아니라 해외 과학기술 뉴스에서도 소개되는 등 큰 주목을 받았다. 2014년 현재까지 2년여 기간동안 74회의 피인용 횟수를 기록하며 관련 연구개발에 큰 영향을 주었다.
이 결과를 바탕으로 다양한 색의 QD를 섞어 발광층을 형성하는 방법으로 inverted 구조의 백색 QLED의 개발을 진행하였다. QD층은 백색을 만드는 방법에 따라 2파장 백색의 경우 blue+yellow, 3파장은 blue+green+red, 4파장 백색은 blue+cyan+yellow+red로 이루어지며, 2파장은 간단한 백색 표시장치, 3파장은 디스플레이 및 LCD백라이트, 4파장은 조명으로 응용이 가능하다. 외부양자효율은 1~1.5% 로 청색 소자의 성능에 준하는 정도로 나타났으며, 전력효율도 1~3 lm/W 정도로 기존 백색 QLED 결과 중 높게 나타났다. 특히 4파장의 CRI가 93으로 매우 높게 나타나 organic light-emitting diode (OLED) 등의 경쟁기술에 비해 조명에서도 훨씬 우수한 특성을 보일 수 있을 것으로 여겨진다.
양자점의 표면 개질, 분산, 에너지전달, 발광메커니즘 등 기초적인 연구도 함께 수행하며 보다 우수한 성능과 안정성을 갖는 QLED 소자 개발에 노력하였다. 두꺼운 shell을 갖는 QD의 사용으로 QD-QD 사이의 에너지전달을 극소화 시켜 백색 QLED 소자 제작 시 청색부터 적색까지의 모든 파장의 빛이 잘 나도록 하였고, 양자점 표면개질 작업을 통해 정공주입 효율을 높이고 효율 roll-off 현상을 줄이는 등의 성과를 거두었다.
위와 같은 연구결과는 QLED뿐만 아니라 OLED 기술개발에도 적용될 수 있었다. ZnO 및 SnO2를 이용한 inverted OLED를 개발하여 ACS Applied Materials & Interfaces지에 게재하였고, 정공/전자 전달층에 대한 연구결과를 OLED에 적용하여 그 결과들을 국제학술지에 보고하였다.
이처럼 본 연구개발을 통해 도출한 연구 성과는 QLED의 기술개발에 큰 영향을 미쳤고, QLED를 이용한 디스플레이 및 조명의 실용화 가능성을 충분히 제시하였다. 나아가 OLED와 같은 다른 기술 분야에도 적용 가능한 높은 범용성의 연구개발임을 보여주었다. 이를 통해 국제학술지(SCI급) 6편, 국제학술대회 16건, 국내학술대회 2건의 우수한 연구 성과를 얻었으며, 국제학술지는 조금 더 늘어날 것으로 기대된다. 또한 이 과제와 함께 석사과정을 시작한 2명의 전문 인력도 배출하게 되었다.
양자점의 뛰어난 광특성, 재료 합성 및 공정의 용이성, 대면적화 가능성 등의 장점 덕분에 QLED는 AMOLED의 뒤를 이을 차세대 디스플레이 및 조명 장치가 될 것이다. 본 연구를 통해 개발하는 단색 및 백색 QLED는 고성능 디스플레이, LCD용 백라이트나 조명장치 등 응용분야가 넓고 파급효과가 큰 기술 로, 디스플레이 기술을 선도하고 있는 우리나라의 차세대 핵심 기술로 자리 잡을 것이며, 기술주도국으로 서 국내산업의 경쟁력 강화, 이에 따른 산학연 인프라 구축 및 일자리 창출의 효과도 기대된다.