부산대, '기다림 없는' 양자점 LED 구현… 제조 직후 최대 효율 달성

전자수송층 결함 사전 안정화… 효율 1.8배
'스몰' 게재, 차세대디스플레이 상용화 기대

차세대 디스플레이로 주목받는 양자점(QD) LED는 뛰어난 색 재현력과 에너지 효율에도 불구하고, 제작 직후보다 며칠이 지나야 성능이 안정되는 이른바 '포지티브 에이징(Positive Aging)' 현상이 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

부산대학교 연구진이 이러한 시간 의존적 성능 변화를 근본적으로 해결하는 소재 기술을 개발하면서 차세대 자발광 디스플레이 상용화에 새로운 전기를 마련했다.

부산대학교는 전기공학과 노정균 교수 연구팀이 양자점 LED의 제조 직후부터 최대 효율을 구현하고 장기간 보관 후에도 성능 변화가 거의 없는 전자수송층 소재 기술을 개발했다고 16일 전했다.

(왼쪽부터) 부산대 노정균 교수, 이재엽 박사과정생.

양자점 LED는 양자점 자체가 빛을 내는 자발광 소자로, 높은 색 순도와 좁은 발광대역, 용액 공정을 통한 생산 가능성 등 다양한 장점으로 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존 소자는 제작 직후보다 수일간 보관한 뒤 효율이 크게 향상되는 '포지티브 에이징' 현상이 나타나 성능 평가와 공정 관리에 어려움을 겪어왔다.

이 때문에 제조 직후 측정한 성능만으로 최종 성능을 예측하기 어려웠고, 제품 간 균일도 확보와 공정 보정, 생산 일정 관리에도 제약이 따르면서 상용화의 걸림돌로 지적됐다.

연구팀은 이러한 현상의 원인을 마그네슘이 도핑된 산화아연(ZnMgO) 전자수송층 내부의 산소 공공 결함에서 찾았다. 산소 공공은 전하를 붙잡는 트랩 역할을 하며 비방사 재결합을 유도해 초기 효율을 떨어뜨리는데, 시간이 지나면서 결함이 안정화되면 효율이 뒤늦게 증가하는 구조였다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 염화마그네슘(MgCl₂)을 이용한 염화물 도핑 기술을 적용한 ZnMgO 전자수송층을 새롭게 개발했다. 합성 단계에서 염화 이온이 산소 공공 결함을 미리 안정화하도록 설계해 별도의 후처리 없이도 결함을 효과적으로 줄이는 데 성공했다.

분석 결과도 뚜렷했다. 기존 전자수송층은 저장 기간 동안 결함 특성이 지속적으로 변화한 반면, 새롭게 개발한 염화물 도핑 ZnMgO는 제조 직후부터 낮은 결함 수준을 유지했고 저장 이후에도 거의 변화하지 않았다. 즉 시간이 지나면서 안정되는 것이 아니라 제조 단계에서 이미 안정화가 완료된 것이다.

실제 양자점 LED에 적용한 결과 성능 개선 효과는 더욱 분명하게 나타났다. 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층을 적용한 소자는 제조 직후 외부양자효율(EQE) 14.70%를 기록해 기존 ZnMgO 기반 소자의 8.13%보다 약 1.8배 높은 효율을 보였다.

특히 기존 소자는 수일간 보관해야 효율이 제조 직후 대비 약 1.93배 상승하며 최대 성능에 도달한 반면, 새 소재를 적용한 소자는 제작 직후부터 최고 효율을 달성했고 15일간 저장한 이후에도 성능 변화가 거의 나타나지 않았다.

이번 연구는 단순히 효율을 높이는 데 그치지 않고 양자점 LED의 가장 큰 상용화 장애 요인 가운데 하나였던 '시간에 따른 성능 변화'를 소재 기술로 해결했다는 점에서 의미가 크다. 향후 디스플레이 제조 공정에서는 성능 평가 시간을 단축하고 공정 보정 부담과 제품 간 편차를 줄여 생산 수율 향상에도 기여할 것으로 기대된다.

노정균 부산대 교수는 "기존 양자점 LED는 제조 직후 측정한 성능이 며칠 뒤 달라질 수 있어 소자 평가와 제품 제작에 불확실성이 있었다"며 "이번 연구는 고효율·고신뢰성 양자점 디스플레이 구현을 위한 기반 기술이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 나노기술 분야의 세계적 학술지 'Small' 7월호에 게재됐으며, 한국연구재단(NRF) 글로컬 R&D 사업의 지원을 받아 수행됐다. 논문의 제1저자는 부산대 전기공학과 이재엽 박사과정생, 교신저자는 노정균 교수다.

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr