#얼마 전 국내 연구진이 머리카락 두께의 40분의 1만큼 얇아 마음대로 구부리고 늘릴 수 있을 뿐 아니라 피부에 부착할 수 있는 디스플레이를 개발해 주목을 받았다. 이 기술이 상용화될 경우 SF영화처럼 사람의 피부에 부착할 수 있는 디스플레이가 현실화 될 것으로 기대된다.

#TV시장에서는 각 업체들의 고화질 경쟁이 한창이다. 삼성전자 등은 백라이트 없이 자체 발광이 가능하고 전력효율과 수명, 색재현력을 높인 미래형 디스플레이 상용화에 박차를 가하고 있다.

산업계와 연구현장에서는 초고화질 디스플레이, 웨어러블 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 대한 준비가 한창이다. 이처럼 우수한 색감과 높은 효율, 다양한 형태를 구현해 낼 수 있는 미래형 디스플레이의 핵심 소재로 부상하고 있는 것이 바로 ‘양자점(quantum dot)’이다.

◇디스플레이의 진화=1800년대 후반에 발명된 브라운관은 100년이 넘게 디스플레이 화면에 주로 쓰였다. 브라운관은 전자총 음극에서 방출된 열전자가 전자총 내부를 지나 화면에 주사되고, 전자빔이 형광물질과 충돌해 형광체를 발광한 것이 화면에 나타나는 원리다. 하지만 부피가 크고, 화면이 클수록 두께가 두꺼워진다는 단점을 가지고 있었다.

2000년대 들어오면서 디스플레이 분야는 LCD(액정디스플레이)가 장악하기 시작했다. LCD는 분자 배열이라는 액정의 특징을 이용해 화면의 크기가 커져도 두께가 매우 얇아 각광을 받았다.

이후 LED(발광다이오드), OLED(유기발광다이오드) 등이 개발되면서 진화를 거듭한다. 그중 OLED는 여러 가지 장점을 가지고 있어 다양한 디스플레이에 분야에 폭넓게 적용되고 있다.

OLED는 형광성 또는 인광성 유기화합물에 전류가 흐르면 빛을 내는 전계발광 현상을 이용한다. LCD에 비해 제조 공정이 단순하고, 더 얇으면서도 말랑말랑한 디스플레이를 구현할 수 있으며, LCD보다도 속도가 빠르고 시야각이 매우 넓다. 응답속도도 빨라 화면 재생이 부드럽고, 명암비나 색감구현이 좋아 화질이 좋다.

하지만 아직 OLED는 소재 비용이 높아 디스플레이 가격이 LCD 또는 LED에 비해 3~4배 정도 비싸고, 증착 과정을 거치다 보니 크게 만들기가 어렵다. 대면적의 경우 패널이 휘어지며, 수분이나 산소에 노출되면 소재 특성이 변하기 쉽고, 장기간 사용할 때 번인 현상이 일어나 새로운 소재의 개발이 요구되고 있다.

그 가운데 새롭게 부상하고 있는 발광소재가 ‘양자점 반도체’다.

◇주목받는 콜로이드 양자점=양자점은 제작 방법에 따라 화학적 용액 공정을 이용한 ‘콜로이드 양자점’과 기상법(화학기상증착법)으로 기판 위에 성장되는 ‘적층성장’ 또는 ‘자기 조립 양자점’으로 구분된다.

그중 콜로이드 양자점 반도체 재료는 크기가 1~10㎚(나노미터)이고 50여 개의 원자로 이뤄진 나노 결정이다. 양자점은 크기가 일정 반경보다 작게 형성되면 양자 속박에 의한 새로운 물리적 특성을 보여준다.

양자점은 양자 속박 현상에 의해 전자의 에너지 준위가 각각 분리된 상태로 존재해 광자나 전자에 의해 특정 에너지를 가진 광자, 즉 특정 파장의 빛을 방출할 수 있어서 양자점은 선택적으로 전자를 방출하거나 흡수할 수 있다. 이때 방출되는 빛의 파장은 양자점의 크기에만 의존한다. 크기가 다른 양자점을 이용하면 다양한 색을 표현할 수 있는 것.

콜로이드 양자점은 유기 고분자 용액에 분산된 형태로 제작될 수 있어서 저비용 프린팅 기술이나 코팅기술을 기술을 응용해 다양한 소재에 간단히 디스플레이 소자를 입힐 수 있다. 색감도 매우 우수하고 고화질TV에서 요구되는 색상보다 더 넓은 영역을 커버한다. OLED에서 자주 발생하는 백화 현상도 발행하지 않는다.

◇연구현장·산업계에서 QLED 기술개발 한창= 국내 연구현장에서는 양자점을 적용한 디스플레이 QLED(양자점발광다이오드)에 대한 연구를 활발하게 진행, 글로벌 LED 분야에서 선도적인 위치를 지켜나가고 있다.

지난 2013년에는 차국헌 서울대 교수팀이 차세대 총천연색 디스플레이를 만들 수 있는 친환경 QLED를 개발해 눈길을 끌었다. QLED를 만들기 위해서는 유해 중금속인 카드뮴을 이용하기 때문에 상용화가 쉽지 않다는 단점이 있었는데, 차 교수팀은 콜로이드 양자점 내부에 전자와 홀을 직접 주입한 뒤 결합시켜 빛을 만들어 내는 방식을 이용했다.

지난 5월에는 기초과학연구원(IBS)의 나노입자연구단이 최신 스마트폰의 4배 이상의 해상도에 두께는 머리카락의 40분의 1에 불과한 피부 부착형 QLED를 개발했다. 이 QLED 디스플레이는 2.6㎛(마이크로미터)에 불과한 초박막 필름 소자로 마음대로 구부리고 늘릴 수 있을 뿐 아니라 저전압에서도 작동하기 때문에 사람 피부에 부착해 사용할 수 있다.

과학계 뿐만 아니라 QLED TV를 개발하기 위한 국내 업체들의 경쟁도 치열하다. 국내 업체들이 QLED에 관심을 두고 있는 이유는 빠르게 추격하고 있는 중국 가전업체들과의 기술격차를 벌리기 위해서다.

업계 관계자는 “기술력 우위를 점하기 위해서는 보다 고도화된 QLED 기술이 필요하다”며 “향후 5년을 전후로 QLED가 상용화될 경우 시장 전반의 지각변동이 일어날 것으로 전망된다”고 말했다.