삼성전자가 자발광 QLED의 상용화 가능성을 입증한 최신 연구결과를 Nature에 게재했다. QLED는 양자점발광다이오드(Quantum dot Light Emitting Diode)의 줄임말로, 스스로 빛을 내는 소자로 2~10㎚ 크기의 반도체 결정인 양자점을 사용하는 기술이다. Quantum Dot 디스플레이는 얼마 동안 있었지만, 삼성은 실제로 QLED 약어를 주화하여 주력 스마트 TV에 사용하기 위해 상표를 등록했다. QLED는 디스플레이 기술로서 기본적으로 "양자점"을 사용하여 더 나은 품질의 이미지를 생성하는 LCD 패널로 구성된다.
양자점이란 무엇인가?
퀀텀닷(Quantum dot) 또는 양자점은 양자구속 효과의 범위에 드는 반도체 나노입자를 말한다. (양자구속 효과에 대해서는 후술하겠다) 필자는 앞으로 양자점을 QD라고 부르겠다. QD의 발광 과정은 광자의 들뜸으로 인해 발생하므로 광발광(photoluminescence)이라고도 부른다. 만일 반도체에 밴드갭에 해당하는 에너지보다 큰 외부자극이 주어지면 가전자대에 있는 전자가 전도대로 올라가고 가전자대에는 Hole이 생기게 된다. 이는 들뜬 상태이며 전도대의 전자는 가전자대로 돌아가려 한다. 이때 전도대의 전자와 가전자대의 Hole이 서로 재결합하게 되고 이때 물질에 축적된 들뜬 상태의 잉여 에너지가 방출된다. 밴드갭은 가전자대의 가장 높은 부분과 전도대의 가장 낮은 부분 사이의 에너지 준위 차이를 말한다. 이 밴드갭이 방출되는 빛의 파장을 결정한다.
QD의 구조에 대해 알아보자.
QD는 크게 3개의 구조로 나뉘며 각각 Core, Shell, Ligand라고 불린다.
Core에서는 앞서 언급한 양자구속 효과에 의해 발광을 하는 부분이다. 양자구속 효과는 QD의 크기와 밴드갭 사이의 관계를 설명하는 QD의 핵심 특성이다. 입자가 수십 나노미터 이하인 경우에서 전자는 공간 벽에 의해 불연속적인 에너지 상태를 형성하며, 공간의 크기가 작아질수록 전자의 에너지 상태가 높아지고 넓은 띠 에너지를 갖게 된다. 반대로 공간의 크기가 커지면 전자의 에너지 상태가 낮아져 좁은 띠 에너지를 가진다. 이 효과의 결과만 정리하자면, 불연속적인 에너지 레벨에 의하여 정해진 파장만큼의 빛만 발광하기 때문에 특정한 색을 아주 강하게 방출할 수 있다. 다른 색이 섞이지 않은 순수한 빨간색, 초록색, 파란색을 만들 수 있다는 뜻이다.
Shell은 말 그대로 Core를 덮는 껍질이다. Shell의 역할은 2가지가 있다. 첫 번째 역할은 코어를 덮어줌으로써 코어 표면의 결점들을 제거하는 것이다. 결점은 코어의 크기가 너무 작아 표면 결함이 생기고, 이로 인해 Trap이라는 원치 않는 위치에서 에너지가 열로 새어나가 발광 효율이 떨어지는 원인이다. Shell로 코어를 덮어준다면 이를 줄일 수 있고, 모든 에너지 방출이 Trap에서 일어나지 않고 우리가 원래 의도했던 곳에서 일어나게 해서 빛 효율을 높일 수 있다.
두 번째 역할은 광퇴색을 막아 안정성과 내구성을 증가시키는 것이다. 과학자들이 퀀텀닷 코어만을 이용해서 빛을 내는 물질을 만들었는데, 15분이 지나면 완전히 빛을 내지 못할 정도로 빛이나 습기 같은 외부 환경에 취약했다. 이것이 광퇴색이라고 하는 QD입자의 비가역적인 분해이다. 디스플레이에 사용되는 물질이면 온종일 빛을 받게 되는데, 빛에 노출되었을 때 15분 만에 수명을 다한다면 사용할 수 없고 Shell은 이러한 부식을 막아주는 역할도 담당한다.
위와 같은 역할을 하므로 Shell은 현재 퀀텀닷 연구에서 가장 개척지에 있는 분야이다. QD에서 가장 중요한 것은 QD 입자의 수명과 발광 효율이기 때문이다. 사실 그냥 Core를 덮어주면 끝일 것 같지만 많은 문제가 발생하고 있다. Core와 다른 물질 조성을 이용해 Shell을 만들어 덮게 되면(이를 Heterojunction이라고 한다.) 당장 Core 자체는 문제가 없을지는 몰라도, Core와 Shell 사이에 결함이 생겨버린다. 이를 Lattice mismatch라고 하며, 이를 해결하려면 Shell의 두께를 최적화하는 작업이나, Multi-Shell 구조(기존 구조에 middle shell을 추가한 구조)를 이용해야 하는 것이 기술적인 어려움이다.
Ligand는 수많은 나노입자가 서로 뭉치지 않고 특정 거리를 유지할 수 있도록 해주는 역할을 한다. 더불어, Shell과 같이 외부 환경으로부터 Core를 보호하고 효율을 높이는 역할을 한다. 이 밖에도 리간드는 나노입자가 특정한 면을 따라 성장할 수 있도록 해주는 역할이나 극성을 맞춰주는 역할도 하는 등 퀀텀닷 입자에서 반드시 필요한 부분이다.
QD 입자에 사용되는 물질
화학적 구성 및 특성으로 인해 생성된 다양한 물질들은 다양한 크기의 QD를 형성하고 자신의 최대 방출량을 결정한다. 인간의 눈은 784-400THz 주파수 범위에 해당하는 380~750nm 파장 범위의 빛을 볼 수 있다. 그리고 이 파장의 광에너지를 생성하기 위해서는 3.26eV-1.65eV가 필요하다.
디스플레이 업계에서 QD코어의 합성에는 주로 셀렌화 카드뮴(CdSe), 인화 인듐(InP), 규소(Si)를 이용한다. 카드뮴을 이용하면 90% 이상인 최고의 내부 양자 효율이 가능하지만 이 재료의 문제는 대량 사용 시 독성이 있으며, RoHS(EU에서 시행되는 유해물질 제한지침)에서 사용이 규제되고 있다는 것이다. 인듐 기반의 QD는 80%의 내부 양자 효율을 달성할 수 있으며, 새 기술을 적용하면 90% 효율까지 얻을 수 있다. 인듐 퀀텀닷을 이용한 제품은 RoHS를 준수하지만, 카드뮴 QD에 비해 매우 고가이다. 인듐 QD 기술은 지난 10년간 크게 진보하여, 녹색과 적색 QD를 제조할 수 있다. 규소 QD는 안전하지만 효율이 매우 낮아 30-50% 수준의 내부 양자 효율만을 얻을 수 있다. 색 영역 측면에서도 다른 QD와는 경쟁할 수 없을 정도로 성능이 낮다.
카드듐 QD에서 가장 널리 쓰이는 QD Shell은 황화 아연(ZnS)으로 만든다. 인듐 QD에서는 middle Shell이 필요하며, 주로 셀렌화 아연(ZnSe)으로 만든다.
QD 기술의 장점
QD 기술은 독특한 구조의 특성으로 인한 장점을 많이 갖고 있다. QD 광선은 엑시톤의 방사 재결합으로 인해 날카롭고 좁은 방출 최대값을 갖는다. QD는 순수한 적색 및 녹색 광선을 방출하며, 이는 패널 층에서 청색광과 함께 굴절되고 높은 피크 휘도는 영상의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 차이를 크게 하여, HDR(High Dynamic Range) 디스플레이의 지원을 가능하게 한다. 게다가 QD 기술은 색 영역을 40-50% 증가시키고, 낭비되는 빛이 매우 적어, 순색을 만들어 내며, 생생한 색조와 보다 효과적이고 강렬한 색상을 달성할 수 있다. 특히 QD 기술을 이용하여 광방출을 정밀하게 조정 및 통제할 수 있어, 더 순수하고 깨끗한 백색과 정확하고 생생한 색상을 만들어낼 수 있다. 게다가 높은 에너지의 청색광에서 시작하고 에너지 상태를 낮추도록 굴절시켜 녹색 및 적색을 만들어 내므로, QD 디스플레이는 훨씬 높은 전력 효율를 통해 전력 소비를 절감할 수 있다.
QLED, QD를 이용한 디스플레이
QD는 기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 각광받고 있다. 굴절률이 특정 조건을 만족하면 쉽게 레이저를 발진할 수도 있고, 빛을 흡수할 수도 있어 태양전지 산업 등에서도 활용이 기대되고 있다. 이외에도 나노 입자이기에 작은 DNA 조각에 삽입하여 형광물질 용도로 쓰기도 하는 등 여러 쓸모가 있다.
QD의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한가지 물질로 여러 가지 색을 만들어 낼 수 있다. 일반적인 발광다이오드 제작법으로 예를 들어보자. 두 가지 물질을 섞어 543nm 파장을 내놓는 물질을 만들었다고 했을 때, 이 물질로는 바로 옆 파장인 544nm을 내는 것이 불가능하다. QD는 크기만 적당히 바꿔주면 바로 옆 파장의 색은 물론이고 더 멀리 있는 색을 낼 수 있게 된다. 또한 크기를 통일해서 단일 파장만 만드는 것이 아닌 크기를 다양하게 합성하고 전체적으로 보면 마치 연속스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 또한 무기물질을 이용하여 OLED의 최대 단점이었던 소자의 수명을 늘려 번인을 해결할 수 있으며, 기존 OLED와의 경쟁력을 갖추게 됐다. 이러한 특징 때문에 백색광 LED의 형광체 소자로도 연구가 진행 중이다.
QD의 특성을 이용한 디스플레이는 QLED라고 불린다. QD 디스플레이는 기술적으로 최대 밝기는 현재의 LCD 대비 50~100배에 달하고 소비 전력은 오히려 같은 밝기 기준에서 30~50%까지 절약 가능하며 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어질 수 있을 것으로 예상된다.
다만 현재 기준으로도 각 화소의 발광 제어까지 QD만을 이용하는 디스플레이는 아직도 연구 단계로, 개발 속도를 보면 완전한 상용화까지는 앞으로도 상당한 시간이 걸릴 것으로 보인다. 대신 2014년 후반~2015년 초반부터 LCD의 백라이트에 QD 소자를 입혀 색 재현률을 높이는 이른바 QD-LCD 기술이 주목을 받고 있다.
참고자료
[1] https://pid.samsungdisplay.com/ko/learning-center
[2] https://blog.naver.com
[3] https://ko.wikipedia.org
첨부 이미지 출처
[1] http://nanoer.net/showinfo
[2] https://pid.samsungdisplay.com/ko/learning-center
첨부 동영상 링크
[1] https://www.youtube.com/watch?v=l-j9VGdyyWE
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작성자│신연재
발행호│2020년 봄호
