국내 연구진이 유기발광다이오드(OLED) 등을 대체할 미래 디스플레이로 주목받는 '양자점 발광소자(Quantum-dot LED)'의 효율 저하 원인을 규명하고 이를 개선해 최고 수준 밝기의 발광소자를 만들었다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사, 한국과학기술원(KAIST) 이도창 교수, 서울대 이창희 교수팀은 22일 발광소자 발광층의 양자점들 사이에서 발생하는 에너지 전달 현상이 효율 저하 원인임을 규명했다고 밝혔다.

연구진은 이 결과를 토대로 양자점 사이의 에너지 전달 현상을 막을 수 있는 구조를 개발, 적색 양자점 발광소자의 밝기를 기존에 보고된 최고치보다 배 정도 향상시키는 데 성공했다.

이 연구 결과는 재료과학분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스'(Advanced Materials) 최신호에 게재됐다.  

양자점 발광소자는 지름이 1∼20㎚(1㎚=10억분의 1ｍ)인 원형 반도체 나노입자로 된 양자점을 발광체로 이용하는 소자로 크기, 모양, 조성에 따라 빛의 파장 조절이 쉽고 광효율과 색순도가 우수해 차세대 디스플레이·조명 소재로 주목받고 있다.

그러나 양자점 발광소자는 실제 디스플레이 제품에 쓰이는 밝기 영역에서 효율이 비교적 낮고 높은 전하 밀도에서 안정성이 떨어지는 등의 문제로 상업화에 어려움을 겪어왔다.

연구진은 이 연구에서 얇은 필름에 둘러싸인 양자점들 사이에 에너지 전달현상이 빨라지면서 광효율이 급격히 떨어진다는 사실을 밝혀냈다.  

이들은 이어 양자점을 둘러싼 필름을 두께를 다양하게 하는 실험을 통해 양자점 간 거리를 기존 2㎚ 내외에서 10∼12㎚로 떨어뜨리면 양자점 간 에너지 전달현상이 줄면서 광효율 저하가 일어나지 않는다는 것을 확인했다. 

이 연구 결과를 토대로 제작된 적색 양자점 발광소자는 최고 밝기가 1㎡ 안에 촛불 10만개를 켠 것과 맞먹는 10만 니트(Nit)로 지금까지 보고된 최고밝기(5만∼6만Nit)보다 배 정도 밝은 것으로 나타났다.  

KIST 배완기 박사는 "양자점 발광소자의 효율 저하 원인을 해결하고 소자의 구동 안정성을 확보하면 양자점 기반의 차세대 고색순도 디스플레이 및 고휘도 조명의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라며 "앞으로 안정성 높은 양자점 소재·소자 구조 개발에 집중, 양자점 기반 기술의 상용화에 힘쓸 계획"이라고 말했다.