KIST 연구진, 양자점 LED 효율 3배 향상 기술 개발
국내 연구진이 차세대 발광디스플레이 소자로 주목받는 양자점(Quantum Dot) 발광다이오드(LED)의 발광 효율을 3배 이상 높이는 기술을 개발했다.
극치환 된 구조의 양자점 LED 제작
반도체 산업과 더불어 국내 주요 양대 산업의 하나인 디스플레이(Display)는 영상 전달 매체로서 그 중요성이 점차 강조되고 있다. 디스플레이가 더 발전하기 위해서는 저소비 전력화, 경량화, 고화질화, 유연성 등의 요건들이 필요하다. 이를 위해 차세대 디스플레이 및 면발광 조명 소재로 양자점 발광 소자가 연구되고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전소재연구단 황도경 박사와 미래융합기술연구본부 최원국 박사팀은 25일 고분자물질과 산화아연(ZnO)을 이용해 양자점 LED를 전극의 양음극이 치환된 구조로 제작, 발광 효율을 3배 이상 개선하는 데 성공했다고 밝혔다.
차세대 발광 디스플레이 개발 박차
양자점은 화학적 합성 공정으로 제작하는 수 나노미터(㎚=10억분의 1m) 크기의 반도체 결정으로 크기를 조절해 빛의 삼원색(빨강, 녹색, 파랑)을 구현할 수 있고 기존 유기 디스플레이보다 색순도가 높아 색 구현력 및 재현성이 우수하다. 최근에는 소비전력이 적고 가벼우며 화질이 뛰어난 차세대 디스플레이나 면발광 조명 소재로 양자점 LED가 연구되고 있다.
연구진은 고분자 물질(PEIE)과 산화아연 나노입자 이중층을 이용해 소자의 안정성과 발광 효율을 극대화한 ‘극치환 구조의 양자점 LED’를 개발했다.
양극(Cathode)으로 사용되는 산화주석인듐(ITO)에 PEIE 코팅
기존 양자점 LED에서 양극(Anode)으로 사용되는 산화주석인듐(ITO)에 PEIE를 코팅해 양극(Cathode)이 되게 하고 PEIE와 효과적인 전자수송층 역할을 하는 산화아연 나노입자를 이중층으로 만들어 극치환 구조의 양자점 LED를 만든 것이다.
고분자 물질인 PEIE은 값이 싸고, 친환경적인 물질로, 금속, 전도성 유기물 등과 만나게 되면, 각 물질들이 지니고 있는 일함수를 낮춰주는 표면 개질체로서의 기능을 할 수 있다. 산화주석인듐(ITO)은 일함수가 높기 때문에(4.8eV) 주로 양(Anode)극으로 사용이 많이 되었으나, PEIE(표면 개질체)를 코팅 함으로서 일함수를 낮춰주어(3.08eV) 음(Cathode)극으로 극을 치환 할 수 있다. 이렇게 극이 치환된 구조는 소자의 안정성을 향상시킬 수 있다.
소자 구동 안정적, 발광 효율 3배 이상 개선
그러나 고분자물질(PEIE)만으로 주입층/수송층을 만드는 경우 고분자물질이 주입층의 역할만을 수행하여 외부 주입된 정공을 차단하며 전자를 효과적으로 수송시켜주는 전자 수송층를 역할을 하지 못하는 문제가 발생한다. 연구진는 이를 개선하기 위해 PEIE 고분자 표면 개질체와 효과적인 전자수송층의 역할을 하는 산화아연(ZnO) 나노 입자를 이중 층으로 형성하여 나노 이중 층이 전자 주입층/수송층으로 사용하여 극치환 구조의 양자점 LED 제작에 성공하였다.
소자 구동 안정적, 발광 효율 3배 이상 개선
극치환 구조의 양자점 LED는 소자의 구동이 안정적이고 발광 효율이 3배 이상 우수한 것으로 나타났다. 연구진은 극치환 구조로 소자의 안정성이 향상되고 산화아연/고분자물질(ZnO/PEIE) 이중층이 양자점 내 정공과 전자의 재결합 효과를 높여 LED 소자의 발광 휘도가 3배 이상 향상된 것으로 분석했다.
연구진은 또 PEIE와 ZnO은 값싸고 친환경적인 물질로 대량 생산에 적합하고 극치환 구조의 소자는 구동이 안정적이어서 디스플레이 수명연장에 효과적이라며 태양전지나 광센서 소자에도 적용 가능할 것이라고 밝혔다.
유기발광다이오드(OLED) 대체하는 산업화 가능
황도경, 최원국 박사는 “PEIE와 ZnO은 값싸고 친환경적인 물질일 뿐만 아니라 지구상에 풍부한 자원이라 대량 생산에 적합하며, 이를 통하여 제작된 극치환된 구조의 소자는 구동이 안정적인 장점이 있다. 또한 이런 이유로 디스플레이의 수명 연장에 효과적이며, LED 디스플레이와 구동 원리가 유사한 태양 전지 또는 광센서 소자에도 적용 가능 할 것” 이라고 밝혔다.
또한 “양자점 LED 디스플레이는 현재 시연제품이 등장한 단계로 기존 디스플레이보다 색순도와 화질이 우수하다”며 “앞으로 5∼10년 내에 유기발광다이오드(OLED) 등을 대체하는 산업화가 가능할 것”이라고 말했다.
‘Scientific Reports’에 온라인 게재
국내 연구진이 소재의 양 극을 치환한 구조로 제작한 LED 디스플레이는 소자의 구동이 안정적이며 발광 효율이 3배이상 개선되는 효과를 보였다. 고휘도, 저소비 전력의 디스플레이 및 조명 개발이 한층 가까워질 전망이다.
이 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업 및 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 지난 3월 ‘Scientific Reports’에 온라인 게재 되었다.
KIST 연구단 소개
이번 극치환 구조로 된 양자점 LED의 발광 효율을 3배이상 높이는 기술을 KIST 미래융합기술연구본부와 공동 개발한 KIST 광전소재연구단은 전자소자부터 광소자에 이르는 여러 소자 내의 물리현상을 이해하고 이를 바탕으로 소자/재료를 설계하는 연구를 진행하고 있다.
주요 연구 주제로 유연 광전소재 및 Ⅲ-Ⅴ epi/device 관련 다학제 간 융합연구를 수행한다.
또한 미래융합기술연구본부는 NBIT(NT-BT-ICT) 융합 연구를 기반으로 인간 친화형 소재, 차세대 고성능 반도체, 친환경 에너지 소재, 양자 암호 통신 기술, 난치성 질환 치료 및 맞춤형 건강 증진 기술 개발을 통해 미래 성장 동력 과학 기술을 이끄는데 힘쓰고 있다.
자료출처 | 한국과학기술연구원(www.kist.re.kr)
Focus
중소기업에 과학기술분야 특허 무상 이전
한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권)은 ‘2015 상반기 중소기업 특허나눔’에서 중소기업에 특허를 무상 이전한다고 지난달 밝혔다.
KIST는 디스플레이, 전자, 반도체, 의료, 화학, 건강식품 등 특허 64건을 공개하고 특허 양도를 원하는 중소기업에 무상으로 제공한다. KIST는 특허양도를 신청한 기업을 대상으로 심사를 진행하고 이달 중순 특허나눔 대상기업에 통보할 계획이다. 특허를 이전받는 중소기업은 이전비용과 연차등록료 등 행정적 비용만 부담하면 된다.
KIST는 중소기업 기술력을 강화해 창조경제를 실현하고자 지난 2013년부터 특허 무상이전을 진행하고 있다. 지난해 102건을 중소기업에 양도했다. 올해에도 105건을 중소기업에 무상 이전한다는 목표를 정하고 상반기와 하반기 한 차례씩 특허나눔 행사를 진행할 예정이다.
KIST 지식재산경영팀 관계자는 “KIST가 연간 700개 정도 특허를 출원하기 때문에 모든 특허를 보유하기가 어렵다”면서 “기관 내 활용성이 낮은 특허는 민간에 무상으로 이전해 성과를 확산하려는 취지”라고 설명했다.
