국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED)를 대체해나갈 차세대 디스플레이 소자 후보로 주목받고 있는 양자점 발광다이오드(QLED)의 성능을 획기적으로 높이는 기술개발에 성공했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 QLED정공 주입 개선 기술 개발을 통해 양자점 표면을 구성하고 있는 분자체를 바꿔 QLED의 밝기, 전류 및 전력 효율을 향상시킬 수 있는 핵심 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

QLED는 자체적으로 빛을 내는 반도체 입자인 양자점을 이용한 디스플레이 기술이다. 그동안 OLED가 유기물을 이용했다면 QLED는 유기물 대신 반도체인 양자점을 활용한다.

최근 자연에 가까운 색을 재현 하는 디스플레이 수요가 증가하고 있어 가장 넓은 색 영역을 제공하는 QLED 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

QLED 기술의 가장 큰 난제는 발광 층 내 전자-정공 이동 불균형 현상이다. QLED 디스플레이를 구성하는 소자는 양 전극에서 주입된 전자(electron)와 정공(hole)이 양자점에서 만나 빛을 내게 된다.

전자는 자유롭게 위아래로 잘 이동한다는 특징이 있지만 정공의 경우 전극과 양자점 에너지 간 전달이 더뎌 이동이 힘들다.

이러한 전자-정공 불균형 문제는 양자점 발광다이오드의 성능을 떨어뜨리고 소자의 수명을 짧게 만들어 이를 해결하기 위한 연구가 필요했다.

연구진은 디스플레이서 밝게 빛나는 발광층 위에 양자점을 깔고 정공 쪽에 해당되는 부분만 피리딘이라는 유기화합물로 바꿔 불균형 문제를 해결했다. 결국 피리딘으로 인해 정공을 쉽고 빠르게 이동시킬 수 있었다.

이렇게 피리딘으로 바꿔주면 양자점과 정공 수송층 사이의 거리가 줄어들고 중간 에너지 층이 만들어 진다. 중간 에너지 층은 정공을 보다 원활히 전달하도록 도와 전자와 정공이 만나 빛을 내는 효율을 증대시키게 해준다. 하나의 층에 전자와 정공이 동시에 존재해야 빛이 나게 되기 때문이다.

기존에는 전자만 원활하게 이동하고 정공이 뒤따라 오질 못했다. 또 정공을 추가로 주입하게 되면 전압을 더 가해야만 했다. 하지만 연구진에 의해 추가적인 전압이 필요 없이도 정공이 자유롭고 원활하게 이동함이 따라 낮은 전압에서도 빛이 나게 되는 셈이다.

그 결과 기존 소자에 비해 최대 4.5배의 밝기, 1.7배의 전류효율, 2.3배의 전력효율 밝기는 기존보다 4.5배, 전류효율은 1.7배, 전력 효율은 2.3배 향상된 양자점 발광 다이오드의 구현이 가능케됐다. 또한 적, 녹, 청 모든 색상의 양자점에 동일하게 적용할 수 있어 향후 QLED 상용화에 큰 도움이 될 것으로 연구진은 보고 있다.

이현구 ETRI 이현구 유연소자연구그룹장은 “향후 이 기술을 연구진이 개발 중인 마이크로 디스플레이도 적용해 볼 계획”이라면서 “미국 국가 텔레비전 시스템 위원회 기준 약 159%의 색 재현율을 보여 자연색에 보다 가까운 색상구현도 가능해 차세대 디스플레이 등에 다양하게 적용될 것으로 보인다”고 말했다.

이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리’ 3월 표지 논문으로 선정됐다.