▲ 최원국 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부 교수.

국내연구진이 개발한 극치환구조 양자점 LED가 안정성과 뛰어난 발광효율을 보여 향후 디스플레이 수명 연장과 LED 디스플레이와 구동원리가 유사한 태양전지 또는 광센서소자에도 적용 가능될 것으로 보인다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)황도경 광전소재연구단 박사와 최원국 미래융합기술 연구본부장실 박사 연구팀은 고분자물질(PEIE)과 산화아연(ZnO) 나노입자 이중층을 전자주입층/수송층으로 사용해 소자의 안정성과 발광효율을 극대화할 수 있는 극치환된 구조의 양자점 LED 개발에 성공했다고 지난 25일 밝혔다.

이번에 양극을 치환환 구조로 제작된 LED 디스플레이는 소자의 구동이 안정적이며 발광 효율이 3배이상 개선되는 효과를 보여 고휘도, 저소비전력의 디스플레이 및 조명 개발에 한걸음 가까워졌다.

값이 싸고 친환경적인 고분자 물질 PEIE는 금속, 전도성 유기물등과 만나게되면 각물질들이 지니고 있는 일함수를 낮춰주는 표면개질체로의 기능을 할수 있다.

산화주석인듐(ITO)는 일함수가 높아(4.8eV)주로 양(Anode)극으로 많이 사용 됐으나, PEIE를 코팅함으로써 일함수는 3.8eV로 낮춰 음(Cathode)극으로 치환할 수 있다. 이렇게 치환·된 구조는 소자의 안정성을 높인다.

그러나 PEIE만으로 주입층/수송층을 만드는 경우 PEIE만이 주입층 여고할만을 수행해 외부 주입된 정공을 차단하며 전자를 효과적으로 수송시키는 전자수송층의 역할을 하지 못한다.

연구진은 이를 개선하기 위해 PEIE와 뛰어는 전자수송층 능력을 지닌 산화아연(ZnO) 나노 입자를 이중 층으로 형성해 나노 이중층이 전자주입층/수소층으로 사용해 극치환 구조의 양자점 LED 제작에 성공했다.

산화아연/고분자물질(ZnO/PEIE)이중층의 경우 PEIE 단일층보다 양자점내에 정공과 전자의 재결합을 보다 효과적으로 이루게해 LED 소자의 발광휘도가 3배이상 향상됨을 확인했다.

황도졍, 최원국 박사는 “PEIE와 ZnO는 값싸고 친환경적이며 지구상에 풍부한 자원으로 대량생산이 적합하다. 또한 이로 만든 극치환된 구조의 소자는 구동이 안정적이다”라고 밝혔다

한편, 본 연구는 본 연구는 KIST의 기관고유 미래원천연구사업 및 산업통상자원부 제조기반산업핵심기술개발사업 지원으로 수행되었으며, 3월 10일(화)자 Scientific Reports에 온라인 게재됐다.

▲ (a) 극치환된 구조의 양자점 LED 모식도. (b) 양자점 LED 단면의 광학 현미경 사진(왼쪽), 그리고 양자점(CdSe/ZnS)과 산화아연(ZnO)의 원자 격자 구조(오른쪽). (c) 고분자 물질(PEIE)와 산화아연(ZnO) 간의 에너지 준위 다이어그램. (d) 제작된 발광다이오드의 전계 발광 스펙트럼 및 발광 사진(적색, 녹색, 청색, 백색 모두 구현이 가능함을 보여준다).