차세대 디스플레이 소자 양자점 QLED 발광효율 높인다

IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단은 양자점을 메타물질이 나노 구조 위에 제작해 오제 재결합 현상을 억제함으로써 양자점 디스플레이의 발광효율을 높이는 데 성공했다. IBS 제공

국내 연구진이 차세대 디스플레이 소자로 각광받고 있는 '양자점 디스플레이(QLED)'의 발광효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 조민행 분자 분광학 및 동력학 연구단장(고려대 교수) 연구팀이 양자점을 활용해 광전자소자 발광효율을 높이는 새로운 방법을 확립했다고 5일 밝혔다.

QLED는 자체적으로 빛을 내는 지름이 수 나노미터 크기의 반도체 입자인 양자점을 이용한 디스플레이다. 입자 크기에 따라 다른 주파수의 빛을 방출하는 등 독특한 광학적 성질을 지녀 QLED 등 다양한 광전소자에 활용할 수 있다. 백라이트 등이 필요없어 얇은 두께의 디스플레이를 제작할 수 있으며, 자연에 가까운 색을 재현하는 디스플레이 기술이라는 점에서 주목받고 있다.

연구팀은 디스플레이 효율을 높이는 걸림돌인 '오제 재결합' 현상을 억제하는 데 성공했다. 오제 재결합은 전자와 정공이 결합할 때 빛이 외부로 방출되지 않고, 주변에 있는 다른 엑시톤(정공과 전자가 쌍을 이룬 준입자 형태)에 에너지를 전달하는 현상을 뜻한다. 이 때문에 빛이 밖으로 나오지 않아 양자점을 기반으로 하는 광전소자의 효율 향상에 어려움이 있었다.

그동안 오제 재결합 현상을 억제하기 위해 주로 양자점의 구조적 특성을 변형하거나, 새로운 형태의 양자점 구조를 합성하는 방식으로 연구가 이뤄져 왔지만, 이를 능동적으로 제어하지 못했다.

연구팀은 크기 100㎚ 이하 박막으로 만들어진 양자점을 메타물질(인공적으로 만든 물질) 나노구조 위에 제작해 수 피코초(ps, 1조 분의 1초) 수준의 매우 짧은 시간에 일어나는 오제 재결합 현상을 관측하고, 이 현상이 나노구조로 인해 억제되는 것을 발견했다.

나노구조에 의해 형성된 영상 쌍극자가 양자점의 전이 쌍극자 모멘트와 상호작용으로 전체 전이 쌍극자 모멘트의 크기를 감소시켜 오제 재결합을 억제했다.

조민행 단장은 "양자점 내부에서 빈번히 발생하는 오제 재결합 현상을 나노구조를 통해 제어할 수 있음을 최초로 증명했다"며 "오제 재결합을 억제하면 광전소자의 효율을 높이는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 광학 분야 국제학술지인 '어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(지난해 12월 23일자)' 온라인판에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr