QLED 발광효율의 '적' 찾았다

IBS 분자분광학 및 동력학연구단

양자점의 엑시톤과 연구진이 도입한 나노구조에 의해 오제 재결합이 억제되는 현상을 그림으로 나타냈다. IBS 제공.

국내 연구진이 양자점 디스플레이(QLED)에 사용되는 양자점(퀀텀닷) 광전소자의 발광 효율을 높일 수 있는 새로운 방법을 제시했다. QLED 등 디스플레이의 효율을 향상시키는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자분광학 및 동력학연구단장 연구팀이 양자점 디스플레이 효율에 걸림돌인 ‘오제 재결합’ 현상을 제어할 수 있는 핵심 원리를 규명했다고 5일 밝혔다. 

양자점은 지름이 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터)의 반도체 입자다. 입자의 크기에 따라 서로 다른 주파수의 빛을 방출하는 독특한 광학적 특성으로 QLED 등 다양한 광전소자로 활용된다. 

양자점 반도체는 전자가 들어 있는 ‘가전자대’와 전자가 비어 있는 ‘전도대’라는 2개의 밴드를 갖는다. 이 둘 사이에서 나타나는 에너지 차이를 ‘밴드갭’이라고 한다. 밴드갭보다 큰 외부 에너지를 받으면 가전자대에 있던 전자가 전도대로 들뜨게 된다. 

이때 전자가 사라진 빈자리인 정공은 전도대로 올라간 전자와 쌍을 이뤄 ‘엑시톤’이라는 준입자를 형성한다. 엑시톤은 시간이 흐르면 에너지를 잃으며 정공과 재결합한다. 이 과정에서 전자가 공급받았던 에너지를 다시 빛의 형태로 외부로 방출하는 것이 우리가 볼 수 있는 QLED 등 광전소자의 빛이다. 

문제는 모든 엑시톤이 이상적으로 빛을 방출하지 않는다는 점이다. 양자점 반도체 물질의 특성에 따라 엑시톤의 재결합은 다양한 과정을 통해 일어나기도 한다. 대표적인 게 엑시톤 2개의 상호작용으로 인해 생기는 ‘오제 재결합’ 현상이다. 

오제 재결합 현상은 전자와 정공이 결합할 때 전자가 공급받았던 에너지가 다시 빛으로 외부에 방출되지 않고 주변에 있는 다른 엑시톤에 에너지를 전달하는 현상이다. 빛이 밖으로 나오지 않아 양자점을 기반으로 하는 광전소자와 디스플레이의 발광 효율을 향상시키는 데 걸림돌이 되고 있다. 

오제 재결합 현상을 억제하기 위한 연구가 진행됐지만 양자점 자체의 구조를 변형하거나 새로운 형태의 양자점 구조를 합성하는 방식에 그쳤다. 이같은 방식은 오제 재결합 현상 자체를 제어하지는 못했다. 

연구진은 크기 100nm 이하의 박막으로 만들어진 양자점을 메타물질로 만든 나노구조 위에 제작해 오제 재결합 현상을 분석했다. 메타물질이란 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 설계된 물질을 말한다. 이 과정에서 수 피코 초(1조분의 1초) 수준의 찰나의 시간에 일어나는 오제 재결합 현상을 관측하고 연구진이 제작한 나노구조로 인해 오제 재결합 현상이 억제된다는 사실을 알아내고 원리도 규명했다.

연구를 이끈 조민행 단장은 “양자점 내부에서 빈번하게 발생하는 오제 재결합 현상을 나노구조를 통해 제어할 수 있음을 처음으로 증명했다”며 “양자점을 활용한 광전소자의 효율을 높이는 데 기여할 것”이라고 말했다. 연구결과는 광학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼즈’ 지난해 12월 23일자 온라인판에 게재됐다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]