< B9B0C3B7BCBCB0E82E687770>

Size: px

Start display at page:

Download "< B9B0C3B7BCBCB0E82E687770>"

재영 채
6 years ago
Views:

차세대디스플레이기술로부상하는양자점발광다이오드 DOI: 10.3938/PhiT.23.

optical properties change as its size decreases down to a nanometer scale.

1 차세대디스플레이기술로부상하는양자점발광다이오드 DOI: /PhiT 이창희배완기곽정훈 Quantum Dot LED (QLED) Emerging as a Nextgeneration Display Technology Changhee LEE, Wanki BAE and Jeonghun KWAK A quantum dot (QD) is a semiconductor nanoparticle whose electrical and optical properties change as its size decreases down to a nanometer scale. Because it has unique properties such as bandgap tunability over a wide spectral range, a narrow emission bandwidth and a high photoluminescence quantum efficiency, it is drawing attention as a next-generation display technology. QD technology has display applications in two directions, namely, QD films for liquid crystal displays (LCD) and QD light-emitting diodes (QLEDs). Recently, the performance of QLEDs has been greatly improved as a result of multilateral efforts based on a fundamental understanding of the device physics and advanced device engineering. QLEDs are expected to be commercialized within 3-5 years and to bring about many opportunities in the display market. Here, we review recent progress in QLED technology and key issues that must be solved if practical QLED displays are to be realized. 저자약력 서 백번듣는것보다한번보는게낫다 는말처럼우리가 이창희교수는미국산타바바라캘리포니아대학교에서 1994년에물리학박사학위를취득하였으며, LG화학기술원에서 OLED 개발연구를수행한후, 인하대학교물리학과조교수, 부교수를거쳐, 현재서울대학교전기정보공학부교수로재직중이다. (chlee7@snu.ac.kr) 배완기박사는서울대학교에서 2009년에박사학위를취득하였으며, 미국로스알라모스국립연구소박사후연구원을거쳐현재한국과학기술연구원에서선임연구원으로재직중이며, 양자점합성및응용에대한연구를하고있다. (wkbae@kist.re.kr) 곽정훈교수는서울대학교에서 2010년에박사학위를취득하였으며, 서울대반도체공동연구소박사후연구원을거쳐현재동아대학교전자공학과조교수로재직중이다. (jkwak@dau.ac.kr) 론 받아들이는정보의약 80% 는눈을통해서얻는다고한다. 따라서인간과정보기기를연결해주는통로인디스플레이는우리에게는눈과같이중요하며 세상을보는창 이라고할수있다. 특히인터넷과스마트폰이없이는살기어려운현대인에게디스플레이는제품을선택하는데있어서가장중요한비교항목이다. 이에따라디스플레이분야의기술경쟁이치열하게진행되어왔다. 지난 10년간의디스플레이기술의주요변화를살펴보면브라운관 (CRT) 은찾아보기어렵게되었고, 액정디스플레이 (LCD) 와경쟁하던플라즈마디스플레이 (PDP) 도올해생산이중단되어역사속으로사라지게되었고, 유기발광다이오드 (OLED) 가 LCD와경쟁하기시작했다. OLED 의도전에대응하여 LCD는가격경쟁력과초고화질 (UHD) 의장점으로맞서고있다. UHD TV( 해상도 3,840 2,160) 는색을표현하는화소가풀HD 대비 4배 ( 약 830만개 ) 많아서매우선명한화질을구현할수있다. 또한최근에는양자점 (quantum dot, QD) 을배면광원 (BLU) 에사용하여색재현범위 (color gamut) 도크게넓힐수있게되어 LCD의단점도크게개선되었다. 그러나 OLED는뛰어난디스플레이성능을가지고있을뿐아니라휘거나투명하게만들수있어장차주도적인디스플레이가될것으로예상된다. 이미곡면 OLED TV가나와서소비자의관심을끌고있고, 휠수있는 OLED를이용한삼성전자 기어S, 엘지전자 G워치 등다양한웨어러블 (wearable) 기기가판매되기시작했다. 향후둘둘말거나접을수있는 OLED를이용한스마트폰, TV 등이개발될것이다. 그렇다면 OLED가궁극적인디스플레이기술인가? 지난역사에서알수있듯이 OLED에서디스플레이기술의진화가멈추지않고, 새로운혁신적인신기술이계속나올것이다. 그렇다면, OLED 다음에는어떤혁신적인디스플레이기술이나타나서우리의눈을즐겁게해주고, 삶을편리하게해줄것인가? 이러한차세대디스플레이기술로최근주목받고있는것이나노미터크기의반도체양자점을이용한양자점발광다이오드 (quantum dot light emitting diode, QLED) 기술이다. 양자점은우수한발광특성과좁은발광선폭을가지고있어서이미 LCD의색재현성을크게향상시키는데사용되고있다. 또한자체발광할수있는 QLED 의성능도빠르게발전하여효율측면에서는 OLED 와대등한수준으로까지발전하였다. 이글에서 물리학과첨단기술 NOVEMBER

2 Fig. 1. (a) Comparison of the electronic energy structure of a bulk semiconductor and a QD. [2] The conduction and valence energy bands of the bulk semiconductor are separated by an energy gap, E g (bulk). The QD has discrete atomic-like energy states labeled as 1S, 1P, and 1D. The QD energy gap, E g (QD) is defined as the separation between the lowest electron and hole QD states and the vertical arrows indicate electronic transition between QD states. The core/shell/ligand QD structure is shown on the right. (b) Comparison of the absorption spectrum of a bulk semiconductor (black line) and a discrete delta function-like absorption spectrum of a QD (colored bars). [2] (c) Exciton transition energy vs QD radius. [3] 는반도체양자점의기본적인특성을설명하고, QLED 의최근기술발전동향과향후발전전망에대해소개하고자한다. 양자점의광학적특성양자점은나노미터크기의반도체나노결정으로, 크기와모양에따라에너지밴드갭 (Bandgap, E g ) 이변하는특징을가지고있다. 반도체물질을나노미터크기로줄이면전자의움직임이공간적으로제한받게되어양자역학적현상에의해벌크반도체와다른독특한에너지구조및광학적특성이나타난다. [1] 그림 1에보인것과같이전자와홀이쿨롱인력으로결합한상태인엑시톤 (exciton) 의반지름보다양자점의크기가작아지면양자구속효과 (quantum confinement effect) 에의해불연속적인양자화된에너지준위가나타난다. [2] 그림 1(c) 에나타낸것과같이양자점의크기가작아질수록엑시톤전이에너지가커지므로, 크기를제어해서에너지밴드갭을가시광선영역을넘어자외선, 적외선영역까지폭넓게변화시킬수있다. [3] 특히 CdSe와 InP 양자점은반지름을조절하여빛의삼원색을포함한가시광선전체에서원하는파장의빛을내게할수있어서디스플레이응용에적합한양자점이다. 그리고양자점의상태밀도 (density of states) 는 3차원벌크물질과달리델타함수 (delta function) 와같다. 따라서양자점은매우좁은파장영역에서거의단색광과같은빛을방출한다. 콜로이드합성법으로제조한양자점 의발광선폭 (full-width at half maximum, FWHM) 은약 nm 수준으로다른형광체보다매우좁기때문에색순도가우수한장점을가지고있다. [4] 또한유기발광물질은광화학반응에의해분해될수있어광안정성이떨어지는데반해반도체나노결정인양자점은매우안정하다. 이와같이콜로이드양자점은가시광영역에서의높은발광효율과좁은발광선폭, 광안정성둥의뛰어난장점을가지고있어서차세대디스플레이뿐만아니라차세대감성조명용광원으로아주유망하다. 양자점의콜로이드합성법 양자점을형성하는방법은다양하지만, 우수한광학적특성을가진양자점을생산할수있는습식화학합성법이많이사용되고있다. [4-7] 대표적인양자점인 CdSe 양자점을콜로이드 [1] A. P. Alivisatos, Science 271, 933 (1996). [2] V. I. Klimov, Los Alamos Science 28, 214 (2003). [3] D. Scholes and G. Rumbles, Nat. Mater. 5, 683 (2006). [4] J. Lim et al., Opt. Mater. Express 2(5), 594 (2012). [5] C. B. Murray, D. J. Norris and M. G. Bawendi, J. Am. Chem. Soc. 115, 8706 (1993). [6] C. B. Murray, C. R. Kagan and M. G. Bawendi, Ann. Rev. Mater. Sci. 30, 545 (2000). [7] D. V. Talapin et al., Nano Lett. 1, 207 (2001). 34 물리학과첨단기술 NOVEMBER 2014

3 을트랩하여전기적특성에도좋지않은영향을미친다. 따라서이와같은결함을줄이기위해양자점표면에유기분자 (organic ligand) 를붙이거나밴드갭이큰반도체로감싼후유기분자를붙인핵 (core)/ 껍질 (shell)/ 리간드 (ligand) 구조로양자점을제조한다. 이와같이콜로이드합성법에알맞은전구체와표면활성제의선택과반응조건 ( 농도, 성장온도, 반응시간등 ) 을제어함으로써다양한재료와여러가지형상의나노구조를가진반도체양자점을제조할수있다. [4-7] Ostwald Ripening 양자점의디스플레이응용 Fig. 2. (a) Example of a colloidal synthesis of CdSe QDs. [2] Nucleation and subsequent growth of QDs occurs after a quick injection of organometallic precursors into the hot solvent such as trioctylphosphine (TOP) and trioctylphosphine oxide (TOPO). The QDs with a particular size of the CdSe core capped with TOP/TOPO ligands are obtained by stopping the reaction after a fixed reaction time. (b) Schematic La Mer plot illustrating the process of colloidal QD synthesis. (c) Solutions of CsSe QDs of different sizes emit different colors under ultraviolet illumination. Because of the quantum size effect, the color of QD solutions changes from blue to red as the QD size increases. (d) The evolution of absorption and photoluminescence (PL) spectra of CdSe QDs with the reaction time. [7] 용액상에서합성하는방법을그림 2(a) 에도식적으로나타냈다. Cd과 Se 전구체 (precursor) 인유기금속화합물을고온의용매속에주입하면열분해된다. Cd과 Se 이온농도가결정핵생성농도 (nucleation threshold) 이상이되면 CdSe 결정핵이생성되면서결정이성장한다. 크기가큰결정이작은결정보다부피대표면적비율이낮아서더안정적인에너지를가지므로작은결정표면의원자들은녹아서큰결정표면에붙게된다. 이러한열역학적과정 (Ostwald ripening) 을통해작은나노결정은줄고, 큰나노결정이성장하게된다. 이와같은콜로이드양자점합성과정을나타내는라메르모델 (La Mer model) 을그림 2(b) 에도식적으로나타냈다. [6] 그림 2(c), (d) 는나노결정성장시간이증가하면서양자점의크기가증가하여양자점의형광색깔이청색에서빨간색으로바뀌고, 흡수및형광스펙트럼이장파장으로이동하는것을나타냈다. [7] 나노결정표면은주기적인결정구조가깨지므로표면에있는원자들의결합이끊어진본드 (dangling bond) 는표면상태 (surface states) 를형성하여양자점의발광효율을크게떨어뜨리거나장파장에서넓은선폭으로발광하여색순도를크게떨어뜨린다. 그리고양자점발광다이오드에주입된전자또는홀 콜로이드양자점합성법이크게발전하여최근양자점을저가에대량으로생산할수있게되어다양한응용에적용되기시작했다. 양자점을생산하고있는대표적인기업은미국 QD Vision, Nanosys, 영국 Nanoco 등이있고, 미국 3M에서 LCD용양자점필름을개발하고있다. 국내에서도양자점에대한관심이크게높아져서, 삼성종합기술원, Dow Chemical, 나노스퀘어, 엘엠에스, 서울대, 한국과학기술연구원, 전자부품연구원등이기술개발에나서고있다. 양자점을디스플레이또는조명에적용하기위한연구는두가지방향으로진행되고있다. 양자점을 LED로여기시켜빛을내는형광 (PL) 방식과전기적으로여기시켜빛을내게하는전기발광 (Electroluminescence, EL) 방식이있다. 형광방식의경우는 LCD에있는 BLU에양자점을넣어서빛의삼원색을내어 LCD의색재현범위를크게개선하는기술 (QD-LCD) 이다. [8] QD를넣는방식에따라다시세가지로나눌수있다. 첫째, 청색 LED 패키지에녹색, 빨강색 QD를넣는방식, 둘째, QD를유리관에넣어서측면에서청색 LED로여기시키는방식, 셋째, QD를고분자필름에분산시키는방식이있다. 현재 QD필름방식이양산성에적합하여선호되고있으며, 2011년에미국 3M과나노시스가공동으로 LCD용 QD 필름 (QDEF TM ) 을개발하여세계최대가전전시회 (CES 2011) [8] J. Chen, V. Hardev and J. Yurek, Information Display 1/13, 2 (2013). 물리학과첨단기술 NOVEMBER

Fig. 3. (a) Schematic illustration of a LCD backlight unit (BLU) containing the QD film, named as quantum dot enhancement film (QDEF TM ), developed by 3M and Nanosys.

color filters in the liquid-crystal module. [8] 에서발표했다. [9] 그림 3을보면 LCD용컬러필터는백색 LED 스펙트럼과잘맞지않으나, QD필름을사용한경우빛의삼원색인청녹적색의색순도가높은것을알수있다.

이미아마존전자책 ( 킨들파이어 HDX7) 에 QD 필름이채용되었고, 중국의 TCL과하이센스는올해 9월독일에서열린가전전시회 (IFA2014) 에서 QD-LCD TV를발표하여큰관심을끌었다. 대형 OLED TV에주력하고있는 LG전자에서도내년 1월미국에서열리는 CES2015에서 55, 65인치 QD-LCD TV를전시할계획이라고발표했다.

4 Fig. 3. (a) Schematic illustration of a LCD backlight unit (BLU) containing the QD film, named as quantum dot enhancement film (QDEF TM ), developed by 3M and Nanosys. [9] (b) Comparison of the spectra of the QDEF TM film excited by a blue GaN LED and a conventional white LED (GaInN LED + YAG phosphor) backlight and the transmission spectra of red, green, and blue color filters in the liquid-crystal module. [8] 에서발표했다. [9] 그림 3을보면 LCD용컬러필터는백색 LED 스펙트럼과잘맞지않으나, QD필름을사용한경우빛의삼원색인청녹적색의색순도가높은것을알수있다. 따라서 National Television System Committee(NTSC) 기준약 70% 수준인 LCD의색재현범위를 100% 이상으로높일수있다. 2013년 CES2013에서소니가 QD 기술을채용하여색재현범위를크게높인 84인치 UHD LCD TV를발표한이후여러회사들이 QD-LCD 개발에나서고있다. 이미아마존전자책 ( 킨들파이어 HDX7) 에 QD 필름이채용되었고, 중국의 TCL과하이센스는올해 9월독일에서열린가전전시회 (IFA2014) 에서 QD-LCD TV를발표하여큰관심을끌었다. 대형 OLED TV에주력하고있는 LG전자에서도내년 1월미국에서열리는 CES2015에서 55, 65인치 QD-LCD TV를전시할계획이라고발표했다. 삼성전자등경쟁회사들도이전시회에 QD-LCD TV를선보일것으로예상되어내년부터 QD-LCD TV 시장이본격적으로형성될것으로예상되고있다. 시장분석기관인 Nanomarkets 에서 2013년발표한자료에의하면 QD 시장은 2020년에약 5.6억달러이상이될것으로예상하고있다. [10] 양자점을전기적으로여기시켜빛을내게하는 EL방식은양자점발광다이오드 (Quantum Dot Light-Emitting Diode, QLED) 를개발하는것이다. [11-16] QLED 는그림 4에보인것과같이양쪽전극에서주입된전자와홀이양자점발광층에서엑시톤을형성하고, 엑시톤의발광재결합 (radiative recombination) 을통해빛을내는구조이다. 그러므로기본적으로 OLED 와동작원리가동일하므로 OLED에서개발된공통층 ( 전자 / 홀주입층및수송층등 ) 을그대로사용한다층소자구조에서발 Fig. 4. (a) Schematic device structure of the QD light emitting diode (QLED) consisting of substrate/transparent conducting oxide (TCO) electrode/hole transporting layer (HTL)/QD emitting layer/electron transporting layer (ETL)/metal. Comparison of (a) Schematic energy diagram of the standard QLED structure where the potential energy barrier for hole injection is quite high compared with the electron injection. 광층만유기발광소재대신에 QD로대체하는것과같다. 따라서이미상용화되고있는 OLED 생산인프라를거의그대로 [9] [10] Nanomarkets Report # Nano-647 ( ). [11] V. L. Colvin, M. C. Schlamp and A. P. Alivisatos, Nature 370, 354 (1994). [12] S. Coe, W. K. Woo, M. Bawendi and V. Bulovic, Nature 420, 800 (2002). [13] J. Zhao et al., Nano Lett. 6, 463 (2006). [14] J. Kwak et al., Nano Lett. 12, 2362 (2012). [15] W. K. Bae et al., Adv. Mater. 26, 6387 (2014). [16] X. Dai et al., Nature 515, 96 (2014). 36 물리학과첨단기술 NOVEMBER 2014

Fig. 5. (a) Schematic device structure and transmission electron microscope (TEM) image of the inverted QLED consisting of ITO glass/zno/qd/cbp/moo 3/Al.

[14] (c) Schematic energy diagram of the RGB inverted QLEDs where n-type ZnO nanoparticles facilitates electron injection from ITO electrode and the MoO 3 layer enables hole injection from Al

5 Fig. 5. (a) Schematic device structure and transmission electron microscope (TEM) image of the inverted QLED consisting of ITO glass/zno/qd/cbp/moo 3/Al. (b) Photographs of red, green, and blue (RGB) inverted QLEDs (the emitting area of 1.2 cm 1.2 cm) at applied voltages of V. [14] (c) Schematic energy diagram of the RGB inverted QLEDs where n-type ZnO nanoparticles facilitates electron injection from ITO electrode and the MoO 3 layer enables hole injection from Al electrode. (d) Maximum external quantum efficiency (EQE) of RGB inverted QLEDs vs highest occupied molecular orbital (HOMO) energy of various organic hole transporting layers (HTLs). [14] 활용할수있다는장점이있다. 또한 QD는 OLED 용유기인광재료보다가격이싸며, 재료사용효율이낮은진공증착방법대신에잉크젯프린팅 (Inkjet Printing) 이나전사프린팅 (Transfer Printing) 등의방법으로화소를형성하므로재료사용효율이크게높아질수있다. 또한전사프린팅의경우는 1 mm 이하의화소패턴을형성할수있으므로기존의디스플레이로는달성하기어려운초고해상도의디스플레이를구현하는것이가능하다. 따라서이런제조공정의장점과우수한발광특성과화질등의장점을가지고있으므로 QLED는 OLED 다음의차세대디스플레이기술로주목을받고있다. 그러나아직프린팅공정을이용한디스플레이양산기술이확보되지않았기때문에 QLED를이용한디스플레이제품을양산하는데상당한시간이필요할것으로예상된다. 양자점 LED 기술현황최초의 QLED 는 1994년미국버클리캘리포니아대학교의 Alivisatos 교수팀이 CdSe 양자점을전도성고분자 (poly(p-phenylene vinylene), PPV) 에분산시켜서개발했다. [11] 그러나대부분의빛은호스트재료인 PPV 고분자에서나오고 QD에서나 오는빛의효율은 0.01% 수준으로아주낮은문제가있었다. 이와같은문제점을해결하려면, OLED 와같이전극에서전자와홀을효과적으로주입하고발광층에서전자 -홀재결합효율을높일수있는다층구조 ( 양극 / 홀주입및수송층 (HTL)/ 발광층 / 전자주입및수송층 (ETL)/ 음극 ) 로만들수있어야한다 [ 그림 4(a) 참조 ]. 그러나대부분의유기저분자또는고분자는용매에잘녹아서콜로이드 QD 용액을이용하여 QD 발광층을만들때아래에있는유기박막이손상되는어려움이있었다. 2002년에 MIT Bawendi 교수와 Bulovic 교수공동연구팀에서유기물질과콜로이드양자점과의상분리현상을이용하여 HTL 위에 QD 단일막을형성한다층박막구조의 QLED 를개발할수있었다. [12] 이를통해발광효율도약 0.5% 수준으로증가시켰고, 대부분의빛이 QD에서방출되게할수있었다. 이후 2006년에워싱턴대학교의 Alex Jen 교수팀에서열가교반응이가능한 HTL 고분자박막이개발되어다층구조 QLED를쉽게만들수있게되었다. [13] 그런데열경화가가능한 HTL 고분자는전자가채워진최고에너지준위 (highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지가약 5.2~5.4 ev 정도인데양자점의가전자대의최고점 (valence band maximum) 은약 6.5 ev 이상이어서그림 4(b) 에보인것과같이 HTL/QD 계면에 물리학과첨단기술 NOVEMBER

2 cm 1.2 cm). [15] (c) Photograph of 4 inch QVGA (320x240) full color active matrix QLED display demonstrated by Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) in 2011.

6 Fig. 6. (a) Evolution of the external quantum efficiency of red, green, and blue QLEDs over two decades. The maximum EQE levels of fluorescent and phosphorescent OLEDs are shown in the horizontal dash lines. (b) Photograph of a white QLED fabricated on polyethersulphone (PES) substrate (pixel size: 1.2 cm 1.2 cm). [15] (c) Photograph of 4 inch QVGA (320x240) full color active matrix QLED display demonstrated by Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) in [17] 서에너지장벽이아주커서홀주입이쉽지않은문제가있었다. QLED 에주입되는전자와홀의균형이맞지않으면발광효율이낮고, 수명이짧게된다. 따라서정구조 QLED 에서홀주입문제를해결하는것이큰과제였는데, 2012년에본연구팀은소자구조를뒤집은역구조 (inverted structure) QLED 구조를사용하여이문제를해결할수있었다. [14] 역구조에서는 ITO 투명전극이음극이되어야하고, 금속전극이양극이되어야한다. 특히 ITO 전극에서전자주입이잘되면서투명하고, 콜로이드양자점을코팅할때손상이되지않는 ETL을형성해야한다. 본연구팀은 3~5 nm 크기의 ZnO 나노입자를 ITO 전극위에코팅하여이와같은조건을만족하는 ETL을형성할수있었다. 그위에청색, 녹색, 또는적색 QD 박막을형성한후, 다양한 HTL 물질을진공증착방법으로형성할수있었다. 그리고 MoO 3 박막을홀주입층으로사용하여 Al 전극에서홀이효과적으로주입될수있도록했다. HTL 의 HOMO 에너지가증가할수록 QLED 의발광효율이증가했다 [ 그림 5 (d)]. 이결과는 HTL/QD 계면에서의에너지장벽이낮아져홀주입이잘되어전자 -홀균형이개선되면서효율이증가한다는것을의미한다. HOMO 에너지가 6.0 ev인 HTL(CBP) 을사용한역구조 QLED 는기존 QLED의최고기록을크게뛰어넘는최대휘도 ( 적색 : 23,000 nit, 녹색 : 218,000 nit, 청색 : 2,250 nit) 와최대발광효율 ( 적색 : 7.3%, 녹색 : 5.8%, 청색 : 1.7%) 을나타냈다. [14] 또한청색, 녹색, 적색 QD를각각의발광효율비 율로혼합한발광층을사용하여발광효율이 2.4 lm/w 인백색역구조 QLED를개발하였다. [15] [ 그림 6(b)] 백색 QLED 발광효율이아직약 10년전의백색 OLED 수준이지만, 향후빠르게개선되어백색 QLED를사용한디스플레이와감성조명등으로상용화될것으로기대된다. 최근 QD 합성기술과소자구조의최적화공정등을통해 QLED의성능은더욱개선되어 OLED 수준에도달하였다. 그림 6(a) 에보인것과같이적색 CdSe 양자점을사용한 QLED 의발광효율은 20.5% 에도달했는데, 이것은인광색소를사용한 OLED의최고효율과동일한수준이다. [16] 녹색 QLED 는형광 OLED 효율을돌파하여 1~2년안에인광 OLED 수준에도달할것으로예상된다. 아직청색 QLED 효율은형광 OLED 효율에조금못미치지만, QLED 효율발전추세를보면향후 2~3년안에청색 QLED 효율도 OLED 수준에도달할수있을것으로예상된다. 따라서향후 2~3년내에 QLED 를사용한풀컬러디스플레이가개발될수있을것으로예상된다. 이미 2011년에삼성종합기술원에서는 4인치 QVGA ( ) 급풀컬러 QLED 디스플레이시제품을발표한바있어 QLED의차세대디스플레이로서의가능성을보여주었다. [17] [ 그림 6(c)] [17] T.-H. Kim et al., Nat. Photon. 5, 176 (2011). 38 물리학과첨단기술 NOVEMBER 2014

7 해결해야할주요이슈앞에서소개한것처럼양자점기술은최근많은발전을해서 PL 방식으로응용하는 QD 필름은이미 LCD에적용되기시작했고, QLED 의발광효율도 OLED 수준에도달했다. 그러나 QLED를상용화하기위해서는다음과같은과제들을해결해야한다. 첫째, 발광효율과안정성이우수하면서카드뮴과같은독성이없는친환경양자점을저가로대량합성하는기술개발이필요하다. 현재상용화되고있는효율이우수한양자점은카드뮴화합물로이루어져있어서환경과인체에미치는독성에대한우려가있다. 따라서카드뮴이없는친환경양자점 (InP, GaP 등 ) 을이용하여발광효율이우수한 QD 필름또는 QLED를개발해야하는데, 카드뮴계양자점보다아직형광효율과 QLED 발광효율이낮다. 그런데최근본연구팀은형광효율이높은친환경 InP@ZnSeS 양자점을합성하고, 전자와홀이효율적으로주입될수있는소자구조를개발하여세계최고발광효율 (3.46%) 을내는친환경양자점 QLED를개발하였다. [18] 그리고국내에있는다우케미칼전자재료사업부는영국 Nanoco사와협력해카드뮴이없는 QD 필름을개발하고있다. 이와같이최근친환경 QD 기술도빠르게발전하고있다. 둘째, 양자점의깜박임 (blinking) 을억제하여연속적인발광이가능하도록하는기술개발이필요하다. 양자점에서엑시톤이빛을내지않고재결합 (nonradiative recombination) 하는주요원인중하나는오제재결합 (Auger Recombination) 이다. [19] 이것은높은전류밀도에서 QLED의발광효율을감소시키는주요원인이기도하다. 양자점의껍질을두껍게하거나핵 / 껍질계면에화학적조성변화가연속적으로나타나게하여오제재결합확률을감소시켜깜박임을억제하고 QLED의발광효율을높일수있다. [19] 셋째, QD가균일하게분포하는박막을제작하는기술이필요하다. 양자점표면은짧은유기리간드가덮고있는데박막을형성할때 QD가서로엉겨붙어서균일한발광층을형성하기어렵다. 그리고 QD 필름을개발하기위해서는고분자매트릭스에 QD를균일하게분산시켜야하는데상분리가잘일어나서어려움이있다. 이를해결하기위해서는 QD 표면을개질하는기술개발이필요하다. 본연구팀은독일마인츠대학교 Zentel 교수팀과공동연구를통해 QD-고분자하이브리드소재를만들면콜로이드안정성이크게개선되고균일한 QD 박막을제작할수있다는것을보였다. [20] 전하수송성이우수한유기분자를포함한공중합체를리간드교환을통해 QD 표면에부착시키면전하수송성이좋은리간드에의해 QD로전하 주입특성이좋아져서높은전류밀도에서도발광효율이감소하지않는다. 이와같이 QD 표면을개질하면 QD를고분자에균일하게분산시킬수있어서우수한효율의 QD 필름을개발하는데도활용할수있다. 넷째, QLED 의효율은상당한수준으로향상되었으나아직수명은약 1000 시간수준이다. [14] 특히친환경양자점을사용한 QLED의경우는수명이더짧다. 따라서 QLED의효율과수명을동시에높일수있는우수한물성의친환경 QD 합성, 소자구조최적화및제조공정기술개발이필요하다. 다섯째, 고해상도 QLED 디스플레이를상용화하기위해서는대면적기판에서고정세화소패턴을형성하는기술을개발해야한다. 현재까지는 6인치수준의실리콘웨이퍼위에 QD 박막을스핀코팅으로형성하고패턴이형성된 PDMS 스탬프를이용하여전사프린팅 (Transfer Printing) 하는방법으로화소패턴을형성한다. [17] 이방법은소형디스플레이를제작하는데는적용할수있으나, 대면적기판에서이와같은전사프린팅을할수있는기술은아직확립되어있지않다. 결 양자점은 1990년대부터연구되기시작하여우수한 QD 합성, 소자구조최적화및제조공정기술의발전에힘입어차세대디스플레이기술로주목받고있다. 콜로이드양자점은크기와모양을조절하면발광파장을바꿀수있고, 좁은발광선폭을가지고있어서색순도가높고, 광안정성둥의뛰어난장점을가지고있다. 양자점은이미 LCD의색재현성을크게향상시키는데상용화되기시작했다. 또한전기적으로여기시켜빛을내는 QLED 의성능도빠르게발전하여발광효율측면에서는 OLED 와대등한수준으로까지발전하였다. 아직 QLED를상용화하기까지해결해야될문제가많이있지만, 향후대량생산이되면 OLED보다우수한디스플레이성능과가격경쟁력을확보할것으로생각된다. 따라서우리업체들이계속세계디스플레이시장을선도해나가기위해서는차세대디스플레이기술인 QLED 기술개발에적극나서서핵심기술을확보하여중국등과의기술격차를더욱넓혀가야한다. 이를위해정부와디스플레이업체의체계적인개발전략과투자가필요하며, 학계의창의적인연구에대한적극적인지원을희망한다. [18] J. Lim et al., ACS Nano 7, 9019 (2013). [19] W. K. Bae et al., Nat. Commun. 4, 2661 (2013). [20] W. K. Bae et al., J. Mater. Chem. C 2, 4974 (2014). 론 물리학과첨단기술 NOVEMBER

02_4_특집_김태호_rev4_504-508.hwp

02_4_특집_김태호_rev4_504-508.hwp 특 집 Polymer Science and Technology Vol. 23, No. 5 양자점 발광다이오드 Colloidal Quantum Dot Light-Emitting Diodes 김태호 Tae-Ho Kim Frontier Research Lab, Samsung Advanced Institute of Technology, 97, Samsung2-ro,