초실감 디스플레이 구현할 핵심 원천 소재 기술 개발

- 양자점 기반 초실감 XR/VR 디스플레이 구현에 기여 

저  자

임재훈 교수(교신저자/성균관대학교), 정운호 박사과정(제1저자/성균관대학교), 김병재 박사과정(성균관대학교), 최만민 박사과정(성균관대학교), 이현준 박사(성균관대학교), 조현진 박사과정(한국과학기술원), 권용우 박사과정(성균관대학교), 최영호 박사(성균관대학교), 이효근 석사과정(한양대학교), 윤진하 박사과정(한국에너지공과대학교), 이기용 박사과정(한국에너지공과대학교), 오상호 교수(한국에너지공과대학교), 조성용 교수(한양대학교), 이도창 교수(한국과학기술원), 정소희 교수 (성균관대학교)

차세대 디스플레이 기술인 양자점 전계발광소자(QD-LED)1)의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 개발됐다. 

  한국연구재단(이사장 이광복)은 임재훈 성균관대학교 교수(제1저자 정운호 대학원생) 연구팀이 양자점 전계발광소자의 밝기와 안정성을 한층 더 끌어올릴 수 있는 전무기 소자2)의 핵심 요소인 무기 홀전달층3)의 원천 소재를 개발했다고 11월 4일 밝혔다. 

  양자점 기반 전계발광소자는 높은 색순도로 인해 차세대 디스플레이를 구현할 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있다. 그러나 양자점 전계발광소자를 차세대 초실감 디스플레이, 옥외 디스플레이, 산업용 광원 등으로 확대하려면 단위 면적당 광량을 범용 디스플레이 대비 10배 이상 높여야 하는데, 현재 널리 사용되는 유기 홀전달층의 경우 낮은 전도도와 열적 불안정성으로 기술을 구현하는 데 한계가 있었다.

  이에 연구팀은 결함이 제어된 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 발광소자의 홀전달층으로 도입, 전무기 전계발광소자의 외부양자효율4)을 16.4%까지 높이는 데 성공했다. 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자의 경우 합성 과정에서 내·외부의 니켈 공공5)이 과도하게 발생해 광효율을 저해시키는 문제가 있었다. 

  연구팀은 표면에 존재하는 니켈 공공을 제거하기 위해 홀전달층의 홀 전도도를 낮추고 양자점 내부로부터의 홀 추출 과정을 억제함으로써 소자 효율을 향상시키는 수산화마그네슘을 나노입자 표면에 처리, 전무기 전계발광소자의 외부양자효율을 기존 기술과 비등한 수준으로 끌어올렸다. 

  이번 연구성과에 대해 임재훈 교수는 “본 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 차세대 초실감 디스플레이에 양자점 기술이 사용될 수 있음을 보인 사례”라며 “전무기 소자의 효율과 안정성을 더욱 높일 수 있도록 산화물 나노입자 합성법을 고도화하고 초고해상도 화소를 제조하는 추가 연구가 필요하다”고 덧붙였다.

  과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 중견연구, 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재 분야의 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2024년 09월 23일 게재됐다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성

양자점6) 전계발광소자는 높은 색순도로 인해 차세대 디스플레이의 핵심 기술로 주목받고 있으며, 특히 자발광 소자 기반 초실감 가상현실/증강현실 디스플레이 구현에 필요한 높은 광량을 제공할 수 있으리라 기대되고 있다. 이는 향후 실외 정보 디스플레이, 고휘도 조명, 산업용 광원 등으로 확장이 가능하다. 최근 고전류 및 고출력 구동을 막는 열화 메커니즘 분석, 고안정성 신규 소재 합성, 소자 구조 설계 등의 연구가 잇따르고 있다.  

  자발광 초실감 디스플레이의 단위소자는 최소 10,000nit 이상의 고휘도가 필요하다. 그러나 현재 양자점 전계발광소자는 약 1,000nit 전후의 밝기에서 최적화되어 있으며 이보나 높은 휘도에서는 급격히 안정성이 감소한다. 이는 구성요소 중 하나인 유기물 홀 전달층의 낮은 열적 안정성에 기인한다고 밝혀져 있다. 고휘도 구동이 안정적으로 가능한 전통적인 무기발광소자의 선례를 볼 때, 양자점 전계발광소자 구성 소재의 전(全)무기화를 통한 내구성 향상은 자명한 개발 방향으로 여겨지고 있다.

(그림1) 산화니켈-산화마그네슘 합금 (NiMgO) 나노입자를 이용한 전무기 양자점 발광소자.

(좌측) 이번 연구에서 제작한 전무기 양자점 전계발광소자의 구조도 및 구동 사례. (우측) 양자점 발광소자의 구동 특성 요약 및 현재까지 개발된 기술 대비 성취도. NiMgO 나노입자의 표면처리에 따라 외부양자효율이 큰 폭으로 향상되어 16.4%에 다다렀을 뿐만 아니라 약 27만nit 수준의 최대휘도를 달성함. (자료제공: 성균관대학교 정운호 박사과정)

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]