▲ 양자점 전계발광소자의 구동 특성과 에너지 준위 / a. 양자점 전계발광소자의 구조(좌)와 구동 전압에 대한 이해(우). 이상적인 무장벽 소자의 경우 최소 구동 전압은 양자점의 발광 파장에 의해 결정되며 적색의 경우 약 2 V로 알려져 있다. 구동 전압은 양자점 내에 전류를 주입하기 위한 전기적 위치에너지로, 물(=전류)을 얼만큼 높이 올려야(=전압) 하는가를 나타내며, 실제 소자는 전하 전달 소재의 한계로 인해 구동 전압이 증가하며, 기존 이론에 따르면 본 연구에서 사용한 소자 구조는 구동 전압을 약 2.7 V까지 증가시킨다. b. 양자점 전계발광소자의 밝기-전압 특성(좌) 및 설명 (우). 실제 소자의 실험값은 이상적인 무장벽 소자와 비슷하거나, 심지어는 낮은 구동 전압(본 연구에서는 1.5 V)을 보인다. 이는 양자점 표면준위에 의해 양자점과 주변 층 사이의 상대적인 전기적 위치가 변화하기 때문이다.(그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 이현준 박사과정)  © 특허뉴스

양자점에 전자(음전하)와 정공(양전하)을 직접 주입하여 빛을 내는 디스플레이 QLEDs(양자점 전계발광소자, Quantum dot Light-Emitting Diodes). 색순도, 전력소모, 밝기 특성이 우수하여 차세대 평판 디스플레이 기술로 주목받고 있다.

이러한 시기, 한국연구재단은 성균관대학교 임재훈 교수, 한국과학기술원 이도창 교수 공동 연구팀(이현준, 제 1저자)이 QLED의 무장벽(無障壁) 전하주입 현상의 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

우리 시각세포가 받아들이는 천연색의 순도를 실감나게 재현할 차세대 발광소재로 주목받는 양자점. 양자점(퀀텀닷, Quantum Dot)은 머리카락 두께의 약 1/10,000 크기의 반도체 결정 물질로 크기를 바꿔 순도 높은 색상을 손쉽게 구현할 수 있다. 효율과 수명 향상이 상용화 과제로 남은 가운데 양자점 표면의 결함이 오히려 발광 성능 향상의 실마리가 된다는 연구결과가 나온 것이다.

각 전극을 통해 주입된 전자와 정공이 가운데 양자점에서 만나 발광하는 QLED에서 양자점 주변 전기전도층이 전자와 정공의 흐름(주입)을 방해하는 장벽으로 작용한다고 알려져 있었다.

때문에 적색 QLED는 가시광선(적색)에 해당하는 에너지인 2V를 초과하는 구동전압이 필요하다는 것이 정설이었다.

▲ 양자점의 개별 특성과 전하 주입 메커니즘 / a. 양자점 발광층은 크기가 다른 개별 양자점의 집합으로 크기에 따라 전하 주입 장벽이 다르다. 전하 주입 장벽이 높은(크기가 작은) 양자점은 전하 주입이 어려워 빛의 발생이 느리며, 전하 주입 과정에서 손실이 발생하기 때문에 효율이 떨어진다. b. 양자점의 크기에 따른 발광 세기-전류 밀도 특성. 전하 주입 장벽이 낮은(=크기가 큰) 양자점은 전하를 잘 받아들여 효율적으로 빛을 생산하는 반면(기울기: 1), 전하 주입 장벽이 높은(크기가 작은) 양자점은 전류의 손실이 발생한다 (기울기: 2.5). 이를 만회하려면 더 높은 전압을 가해줘야 한다. c. 양자점의 개별 특성을 억제해 전하 주입 효율을 유사하게 만든 소자(파란색)는 전계발광소자의 효율이 높은 반면, 전하 주입 속도의 차이를 방치한 소자(적색)는 전류 손실로 인해 효율이 크게 저하된다. (그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 이현준 박사과정)  © 특허뉴스

하지만 연구팀은 일부 양자점에서 전하 주입 장벽의 존재에도 불구하고 2V보다 낮은 1.5V 전압으로도 빛을 내는 것을 알아냈다. 구동전압이 낮을수록 소자작동에 필요한 에너지가 줄어들기에 상용화에 유리하다.

참고로, 전하 주입 장벽은 전류의 흐름을 방해하는 장애물로 전계발광소자의 최소 구동 전압을 높이는 주범이며, 소재 간 에너지준위의 차이에 의해서 발생한다.

이 과정에서 양자점 표면 결함이 양자점을 중심으로 배열된 서로 다른 소재간 에너지 준위 재정렬을 유도해 전하 주입 장벽을 어느 정도 상쇄할 수 있는 디딤돌로 작용함을 알아냈다.

양자점을 둘러싼 전기전도층의 전자가 양자점 표면의 결함으로 이동하여 내부 전기장을 형성함으로써 소자 내 각 층간 에너지 준위 차이를 좁혀 전하의 이동을 원활하게 한다는 것이다.

저전력, 고효율 양자점 전계발광소자 구현 원리를 제시한 이번 연구결과가 고해상도·장수명 디스플레이 구현을 앞당길 것으로 기대된다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communi cations)’에 2021년 9월 27일 게재되었다.