■ 기술 소개

‘양자점(Quantum Dot)’은 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터(nm=10억분의1m) 크기의 반도체 결정체를 말한다. 현재 초미세 반도체, 질병진단 시약 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며 가장 활발히 활용되는 분야 중 하나로 디스플레이가 있다.

나노입자의 모양 및 화학적 조성을 제어해 발광영역을 자외선이나 적외선 영역까지 폭넓게 변화시킬 수 있기 때문이다. 또한 다른 형광체보다 발광선폭이 매우 좁아서 색순도가 우수하다는 장점도 양자점이 차세대 디스플레이 및 조명용 광원으로 각광받는 이유이다.

최근 콜로이드 양자점 합성방법이 발전해 양자점을 저렴한 가격에 대량으로 생산할 수 있게 됐고, 양자점을 발광체로 이용한 ‘양자점 발광다이오드(QLED:quantum dot light emitting diode)’의 성능도 빠르게 발전하고 있다. 이러한 추세로 봤을 때, 나노 양자점 LED 기술은 향후 ‘유기발광다이오드(OLED: organic light emitting diode)’를 넘어서는 차세대 디스플레이 기술이 될 것으로 기대된다.

현재 양자점을 상용화하고 있는 방식은 컬러필터에 양자점을 분산시켜 백라이트로 광여기시킨 뒤, 색순도가 우수한 삼원색을 만들어 내는 방식이다. 이와 같은 양자점 컬러필터를 액정표시장치(LCD: liquid crystal display)에 사용하면 색순도와 색표현범위를 크게 개선할 수 있다. 향후에는 삼원색 QLED 자체를 화소로 이용하는 고화질 디스플레이 또는 백색 QLED를 사용한 감성조명 제품이 시장을 주도할 것으로 예상된다.

QLED는 OLED의 장점(고효율, 저소비전력, 빠른 반응속도, 넓은 시야각, 얇은 두께 및 유연성 등)과 양자점 특유의 장점(우수한 색순도, 용액공정기반의 우수한 가격 경쟁력)을 모두 가지고 있다. 문제는 효율이 우수한 양자점은 유해한 카드뮴 화합물(CdSe 또는 CdS)로 이루어져 있다는 것이다. 따라서 카드뮴(Cd)이 없는 친환경 양자점(Si, InP, GaAs 등)을 이용해 발광효율이 우수한 QLED를 개발하는 것이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

■ 연구 현장

고휘도·고효율 친환경 양자점 발광다이오드 개발

나노미터 크기의 반도체 양자점을 발광층으로 사용한 QLED는 색순도가 뛰어나고 색표현범위가 넓어 생생한 색을 구현할 수 있다. 그러나 경쟁 기술인 OLED보다 낮은 효율과 양자점에 포함된 카드뮴의 유독성이 문제점으로 지적되고 있다.

서울대학교 전기정보공학부의 이창희 교수와 화학생물공학부의 차국헌 교수, 화학부의 이성훈 교수로 구성된 공동연구진은 전자-홀 주입을 획기적으로 개선한 소자구조와 인화인듐(InP) 기반의 친환경 양자점을 개발해 기존 문제점을 해결하는 데 성공했다.

서울대학교 공동연구팀은 인화인듐 핵에 아연, 셀레늄, 황이 합금을 이루어 점진적으로 조성이 변하는 아연-셀레늄-황(ZnSeS) 농도 구배 껍질을 수 나노미터 수준에서 정밀하게 합성해 높은 효율을 지닌 친환경 InP@ZnSeS 양자점을 합성해냈다. 이와 함께 양자점 내부로 전자와 홀이 효율적으로 주입될 수 있는 최적화된 소자 구조도 개발했다.

양자점과 전극 사이에 존재하는 높은 에너지 장벽으로 인해 전자와 홀이 양자점 내부로 잘 주입되지 못하는 문제도 해결했다. 연구팀은 투명한 양극인 인듐·주석산화물(ITO) 전극을 음극으로 사용하고, 그 위에 산화아연 나노입자 전자 전달층, 얇은 고분자 전자 주입층, 양자점 박막, 유기물 홀 전도층과 금속 양극을 순차적으로 적층해 전통적인 소자와 구동 방향이 정반대인 역구조 QLED를 제작했다. 이를 통해 세계 최고의 발광효율(3.46%) 및 최대 휘도(녹색, 3900니트(nit))를 지니는 친환경 양자점 QLED를 유연한 플라스틱기판 상에 구현하는 데 성공했다.

이와 같은 성능은 기존의 카드뮴 기반 QLED의 성능과 유사한 수준으로, 이는 QLED의 제품화를 가로막는 가장 큰 문제인 환경문제를 해결할 수 있다는 것을 보여주었다는 점에서 큰 의의가 있다. 이 기술을 바탕으로 저가의 프린팅 공정을 사용하면 청·녹·적색 양자점 LED 화소를 형성해 고화질 플렉서블 스마트폰, 태블릿PC, 노트북, TV 등을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 이 연구결과는 미국의 저명한 나노과학 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 게재됐다(Lim et al., 2013).

▲ InP@ZnSeS 구조를 갖는 친환경 고효율 양자점의 구조 및 전자현미경.

설명: 양자점 내부로 전자와 홀이 효과적으로 주입되도록 유도하기 위해, 투명전극 상에 전자 주입층, 친환경 양자점 발광층, 홀 주입층들이 순차적으로 적층된 소자구조를 제작함.
자료: Lim J. et al. (2013), ACS Nano, 9019.9026.

▲ 크기에 따라 다양한 색을 발현하는 양자점.

■관련기술- 나노 양자점을 이용한 초고효율 태양전지

◇ 기술의 정의

양자점 직경을 나노 수준으로 줄여 양자구속효과를 통해 효율을 극대화하는 고효율 저비용 태양전지

◇ 기술실현의 장애요인
. 저지의 흡수층이 태양광을 충분히 흡수하도록 두꺼워야 하지만, 빠른 전하 통과를 위해서는
얇아야 하는 모순이 존재
. 현재까지 나노 양자점 태양전지의 광전류 값은 이론상의 광전류 값의 50% 수준, 이에 대한
정확한 원인이 규명되지 않음
. 양자점 물질인 황화납(PbS)에 있어서 황과 납의 비를 정확히 1대 1로 맞추기가 어려움

◇ 기술의 예상 실용화 시기

7~8년 후. 나노입자/코어셀 양자점 태양전지는 현재의 8%에서 12%의 안정화 효율을 달성할 것으로 보이는 2020년경 상용화로의 적용이 가능한 기술

◇ 기술개발동향

○ 한국

. 성균관대학교는 양자점 물질의 화학적 결합 특성을 조절해 광전류 값을 향상시킬 수 있는 태양전지 기술 개발

○ 미국
. MIT는 나노와이어 숲 안에 양자점을 이식해 태양전지의 효율을 높이는 방법 개발

○ 일본
. 일본과 홍콩의 도호쿠대학 금속재료연구소, 교토대학 화학연구소, 홍콩 시립대학은 수직으
로 정렬된 게르마늄 양자점을 빛나게 하기 위해서 가스 소스 분자 빔 에피택시 시스템 사용