QLED, 성능 떨어뜨리는 '불균형' 원인 밝혔다

QLED의 일반적인 구조. 안쪽에 양자점 발광층이 자리하고, 아래 부분에서는 전자가, 위에서는 전자가 빠진 빈 공간(홀, 양공 또는 정공)이 주입된다. 전자와 홀의 불균형이 양자점 성능을 떨어뜨린다. - 사진 제공 ACS NANO

현재 휴대전화와 텔레비전 등에 널리 쓰이는 유기발광다이오드(OLED)의 뒤를 이을 차세대 디스플레이 소자 후보인 ‘양자점발광소자(양자점발광다이오드, QLED)’의 내구성과 성능을 떨어뜨리는 원인이 처음으로 밝혀졌다. 미래 디스플레이의 성능을 높이는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

장준혁 서울대 화학생물공학부 연구원과 차국헌 교수, 배완기 성균관대 나노공학부 교수팀은 양자점발광소자의 성능을 떨어뜨리고 수명을 줄이는 원인이 내부 전자 등 입자 사이의 불균형에 있다는 사실을 처음 밝혀 미국화학회가 발간하는 나노 분야 국제학술지 ‘ACS 나노’ 10일자에 발표했다.

QLED는 전자가 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 매우 작은 반도체 회로 구조에 의해 갇혀 고립된 지점(양자점)을 광원으로 이용하는 소자다. 유리 기판 위에 흔히 투명전극으로 불리는 ‘인듐주석산화물(ITO)’을 올리고 위에 산화아연을 울린 뒤 그 위에 광원인 양자점을 둔다. ITO와 산화아연은 양자점에 전자를 주입하는 역할을 한다. 그 위에는 다시 전자의 빈자리(홀(hole). 양공 또는 정공으로도 불림)을 주입하는 역할을 하는 산화몰리브덴과 알루미늄 층을 덮으면 QLED가 완성된다. 양자점에서 전자와 홀이 결합해 에너지가 높은 상태를 이뤘다가 에너지를 잃으며 빛을 내는데, 이 덕분에 QLED를 광원으로 이용할 수 있다.

QLED는 발광 효율이 높고 색이 깨끗한 게 장점이지만, 전세계적으로 빛을 내는 효율에 대한 연구만 이뤄지고 있어, 아직 안정성이 떨어지고 내구성이 약한 게 단점이었다.

장 연구원팀은 QLED의 내구성을 떨어뜨리는 요인을 찾기 위해 소자의 내부 구성 요소를 따로 분리해 분광학 장비로 시간대 별 빛의 특성과 효율을 분석했다. 이어서 전체 소자 차원에서 전기를 만드는 전자가 어떻게 흘러가는지 특성을 추적했다.

QLED 사용 초기(왼쪽)과 90시간 사용 뒤. CBP라고 적힌 층의 구조가 변했다. 홀을 수송하는 층이다. -사진 제공 ACS NANO

분석 결과, 사용 시간에 따라 QLED의 성능이 떨어지고 내구성이 약해지는 원인을 두 가지 찾아내는 데 성공했다. 먼저 초기에는 빛을 내는 양자점의 효율이 떨어졌다. 전자가 양자점 근처에 쌓이는 현상이 원인이었다. 마치 밀린 택배가 문앞에 쌓여 있어 집에 들어갈 수 없는 것처럼, 더이상 전자와 홀이 만나지 못해 빛이 나오지 못했다. 연구팀은 전압을 거꾸로 걸어 전자를 제거하는 방법으로 발광 효율을 다시 회복시킬 수 있음을 확인했다.

두 번째는 사용을 오래했을 때 생기는 내구성 저하 문제로, QLED 소자 전체의 효율이 떨어졌다. 원인은 역시 남는 전자였다. 연구팀이 홀을 주입하고 이동시키는 층을 관찰한 결과, 이곳에 전자가 새어나가 쌓이는 현상이 발견됐다(위 사진). 이 현상은 복구가 불가능했다.

배 교수는 “결국, 전자와 홀을 양자점에 균형있게(같은 비율로) 주입하는 것이 QLED의 안정성에 큰 영향을 미친다는 뜻”이라며 “QLED의 효율을 높이는 데 중요한 전기가 될 것”이라고 말했다.
 

[윤신영 기자 ashilla@donga.com]