▲ 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자의 표면처리에 따른 효과 / (좌측) 산화마그네슘 합금 과정에서 발생하는 Ni 공공(VNi)과 Mg(OH)2 표면처리를 통한 표면 VNi의 제거 과정 개념도. 우측은 NiMgO 나노입자의 전자현미경 사진임. (우측) Mg(OH)2 표면처리의 효과 정리. 표면 VNi은 홀전달층의 홀 이동속도를 과도하게 늘리는데, 표면처리를 통해 이를 억제하여 전자전달층의 전자 이동속도와 균형을 맞출 수 있음. 또한 홀전달층과 양자점이 접합을 이루면 표면 VNi로 양자점 내부의 홀이 이동하여 효율이 감소하는데, 본 연구진의 표면처리는 이를 효과적으로 억제할 수 있음.(그림 및 설명=성균관대학교 정운호 박사과정)  © 특허뉴스

한국연구재단은 성균관대학교 임재훈 교수 연구팀이 양자점 전계발광소자(QD-LED)의 성능을 대폭 향상시키는 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 양자점 전계발광소자의 밝기와 안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 무기 홀전달층을 개발함으로써, 초실감 XR(확장 현실)과 VR(가상 현실) 디스플레이 기술 발전에 중요한 진전을 이루었다.

양자점 전계발광소자(QD-LED)는 수 나노미터 크기의 양자점에 전자와 홀을 직접 주입하여 빛을 방출하는 차세대 디스플레이 소자다. QD-LED는 고선명 색 표현이 가능하여 차세대 디스플레이로 각광받고 있지만, 높은 광량 요구 조건을 충족하지 못해 한계가 있었다. 특히, 단위 면적당 광량을 범용 디스플레이 대비 10배 이상으로 높여야 초실감 디스플레이, 옥외 디스플레이, 산업용 광원 등으로 확장 가능성이 커진다.

유기 홀전달층은 열적 불안정성과 낮은 전도도로 인해 높은 효율의 QD-LED 구현에 한계를 주고 있었다. 따라서 연구팀은 이 문제를 해결하고자, 모든 구성층이 무기물로 이루어진 전무기 소자 구조를 채택했다.

연구팀은 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 사용해 무기 홀전달층을 구성함으로써, 기존 유기물의 한계를 극복하고 소자의 효율을 크게 개선했다.

이 합금 나노입자는 내·외부의 니켈 공공을 효과적으로 제어해 홀의 양과 이동도를 조절함으로써 전하 불균형 문제를 해결하고 발광소자의 효율을 높였다.

니켈 공공은 나노입자 박막 내에서 홀을 전달하는 매개체로, 과도한 홀 전달을 방지하지 않으면 전하 불균형으로 인해 효율이 저하될 수 있다. 연구팀은 이 문제를 방지하기 위해 수산화마그네슘을 나노입자 표면에 처리하여 니켈 공공을 제거하고, 홀의 전달 속도를 조절함으로써 QD-LED의 안정성과 효율을 높였다.

이번 연구로 개발된 QD-LED는 외부양자효율(External Quantum Efficiency, EQE)이 16.4%에 이르렀다.

외부양자효율은 소자에 주입된 전하에 비해 방출되는 광자의 비율로, 소자의 효율을 평가하는 주요 척도다. 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 통해 전하 축적을 억제하고 광 효율을 극대화하여, 기존의 유기 홀전달층 대비 훨씬 높은 외부양자효율을 달성한 것이다.

특히, 이번 연구의 무기 홀전달층은 열적 안정성이 높아 극한의 환경에서도 성능을 유지할 수 있어, XR/VR 디스플레이, 옥외 디스플레이 등 다양한 응용 분야에서 장기적 활용 가능성을 높였다.

임재훈 교수는 “본 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 차세대 초실감 디스플레이 기술 발전에 중요한 발판이 될 것”이라며, “향후 전무기 소자의 효율과 안정성을 더욱 높이기 위해 산화물 나노입자 합성 기술을 고도화하고, 초고해상도 화소를 위한 추가 연구도 진행할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 9월 23일 자에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

논문명은 Spatial Control of Nickel Vacancies in Colloidal NiMgO Nanocrystals for Efficient and Stable All-inorganic Quantum Dot Light-Emitting Diodes 이다.