- 양자점 기반 초실감 XR/VR 디스플레이 구현에 기여 

- 성균관대 연구팀, QD-LED 밝기 및 안정성 향상 기술 개발로 디스플레이 산업 선도 기대

균관대 연구팀이 QD-LED의 밝기와 안정성을 높이기 위한 전무기 소자의 핵심 소재인 무기 홀전달층 원천 소재를 개발했다. 이로써 차세대 디스플레이 기술의 발전 가능성이 열렸다. 연구팀은 결함이 제어된 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 발광소자의 홀전달층으로 도입해 전무기 전계발광소자의 외부양자효율을 16.4%까지 높였다.

차세대 디스플레이 기술인 양자점 전계발광소자(QD-LED)의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 개발됐다.  양자점 전계발광소자는 수 나노미터(머리카락 두께의 약 1/10,000 수준) 크기의 양자점에 전자와 홀을 직접 주입하여 빛을 방출하는 광소자이다.

한국연구재단은 임재훈 교수(성균관대학교, 제1저자 정운호 대학원생) 연구팀이 양자점 전계발광소자의 밝기와 안정성을 한층 더 끌어올릴 수 있는 전무기 소자(전자전달층과 홀전달층이 모두 무기물로 구성된 다층박막 형태의 소자 구조)의 핵심 요소인 무기 홀전달층(양극에서 홀을 양자점으로 전달하는 역할을 하는 기능층)의 원천 소재를 개발했다고 밝혔다. 

양자점 기반 전계발광소자는 높은 색순도로 인해 차세대 디스플레이를 구현할 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있다. 

그러나 양자점 전계발광소자를 차세대 초실감 디스플레이, 옥외 디스플레이, 산업용 광원 등으로 확대하려면 단위 면적당 광량을 범용 디스플레이 대비 10배 이상 높여야 하는데, 현재 널리 사용되는 유기 홀전달층의 경우 낮은 전도도와 열적 불안정성으로 기술을 구현하는 데 한계가 있었다.

▲(그림1)산화니켈-산화마그네슘 합금 (NiMgO) 나노입자를 이용한 전무기 양자점 발광소자

(좌측) 본 연구에서 제작한 전무기 양자점 전계발광소자의 구조도 및 구동 사례. 유기물 홀전달층을 배제했음에도 불구하고 매우 높은 효율과 휘도를 달성하였음.

(우측) 양자점 발광소자의 구동 특성 요약 및 현재까지 개발된 기술 대비 성취도. NiMgO 나노입자의 표면처리에 따라 외부양자효율이 큰 폭으로 향상되어 16.4%에 다다렀을 뿐만 아니라 약 27만 nit 수준의 최대휘도를 달성함. 이는 기존 기술 대비 크게 향상된 결과임.

[그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 정운호 박사과정]

이에 연구팀은 결함이 제어된 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 발광소자의 홀전달층으로 도입, 전무기 전계발광소자의 외부양자효율(소자에 주입된 전하 대비 소자 외부로 방출된 광자의 비율)을 16.4%까지 높이는 데 성공했다. 

산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자의 경우 합성 과정에서 내·외부의 니켈 공공(나노입자 박막 내에서 홀의 양과 이동도를 높이는 매개체로 작용하며, 홀이 과량으로 양자점 발광층에 전달되면 전하 불균형으로 발광소자의 효율이 감소한다)이 과도하게 발생해 광효율을 저해시키는 문제가 있었다. 

▲(그림2) 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. 

[그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 정운호 박사과정]

연구팀은 표면에 존재하는 니켈 공공을 제거하기 위해 홀전달층의 홀 전도도를 낮추고 양자점 내부로부터의 홀 추출 과정을 억제함으로써 소자 효율을 향상시키는 수산화마그네슘을 나노입자 표면에 처리, 전무기 전계발광소자의 외부양자효율을 기존 기술과 비등한 수준으로 끌어올렸다. 

이번 연구성과에 대해 임재훈 교수는 “본 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 차세대 초실감 디스플레이에 양자점 기술이 사용될 수 있음을 보인 사례”라며 “전무기 소자의 효율과 안정성을 더욱 높일 수 있도록 산화물 나노입자 합성법을 고도화하고 초고해상도 화소를 제조하는 추가 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 중견연구, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재 분야의 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 09월 23일 게재되었다.