순수 퀀텀닷 필름 대비 발광 강도 21배 이상 향상

KAIST 신소재공학과 정연식 교수, 전덕영 교수, 전기 및 전자공학부 장민석 교수 공동 연구팀이 팝콘처럼 내부에 공기주머니가 가득한 고분자 매질과 퀀텀닷이 융합된 새로운 발광 소재를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 이 기술을 활용해 퀀텀닷의 광 발광(Photoluminescence) 특성이 순수 퀀텀닷 필름과 비교해 최대 21배까지 증가하는 것을 확인했다.

수년 전 국내 대기업이 퀀텀닷 LED TV를 출시하고 차세대 퀀텀닷 올레드(OLED) TV 출시를 발표하면서 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐다. 하지만 일반적으로 순수 퀀텀닷 필름은 광흡수도와 광추출도가 높지 못하고 인접한 퀀텀닷 간의 상호작용으로 광 효율이 매우 낮아지는 문제가 있었다.

문제 해결을 위해 공동 연구팀은 블록공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅해, 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리했다.

이후 수분을 빠르게 증발시키면서 형성되는 미세한 공극 구조에 퀀텀닷이 고르게 배열된 소재를 개발하는 데 성공했다. 이는 마치 옥수수를 가열하면 내부의 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속이 빈 팝콘 구조가 형성되는 원리와 유사하다.

연구팀은 이 다공성 고분자 매질을 활용하면 빛과 고분자 매질의 상호작용이 극대화돼 퀀텀닷 복합소재의 광흡수도와 광추출도가 각각 4~5배씩 증가하는 것을 발견했다.

또한, 블록 공중합 고분자는 수 나노미터(nm) 크기의 상분리 구조를 스스로 내부에 형성해 퀀텀닷 입자들을 고르게 분산시켜 줌으로써 퀀텀닷 간 상호작용에 의한 발광 강도 감소 현상도 크게 낮춰 준다.

연구팀은 이번 연구 결과를 청색 LED 발광 소재로 적용했을 때 순수 퀀텀닷 대비 7배 이상의 발광 강도 향상 및 45% 이상의 내구도 향상 효과가 있음을 확인해 차세대 마이크로 LED 디스플레이로 적용 가능성을 기대한다고 밝혔다. 이번 기술은 국내 특허로 등록됐으며, 미국 등 해외 특허 심사 중이다.

정연식 교수는“개발한 복합소재 매질은 가시광 전 파장 범위에서 발광 강도 증대 효과가 있어 퀀텀닷 이외에도 다양한 발광 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대한다”라며 “이 기술을 활용하면 값비싼 발광 소재를 적게 사용하고도 우수한 발광 특성을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 원가 경쟁력 향상에 기여할 수 있다”라고 말했다.

김건영, 김신호, 최진영 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구는 미국 화학회가 발간하는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano letters)’ 9월 3일 자 온라인판에 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업(단장 최성율)의 지원을 받아 수행됐다.

*논문명: Order-of-Magnitude, Broadband-Enhanced Light Emission from Quantum Dots Assembled in Multiscale Phase-Separated Block Copolymers

*용어 설명

퀀텀닷(Quantum dot)

퀀텀닷은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 입자로, 크기와 표면 처리에 따라 광학적, 전기적 특성을 자유자재로 조절할 수 있다. 이 때문에 퀀텀닷을 이용한 디스플레이를 비롯하여 다양한 광전자 소자(발광 다이오드, 태양전지, 광센서, 레이저) 개발에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다.

블록공중합 고분자(Block Copolymer)

블록공중합 고분자는 두 가지 이상의 고분자 사슬이 공유결합으로 이루어져있으며, 두 사슬의 서로 다른 화학적 특성 차이로 인해서 자기 조립 성질을 보인다. 이러한 자기 조립 특성으로 수백 나노미터(nm) 이하의 다양한 나노 구조의 주기적 패턴을 만들 수 있기 때문에 반도체 산업의 전자소자, 광소자 등 다양한 분야에서 적용이 추진되고 있다.

퀀텀닷 올레드(Quantum dot OLED)

기존 유기 발광다이오드(Organic Light-emitting Diode, OLED) 소자의 대면적화 문제를 해결하고자 퀀텀닷과 OLED 기술이 합쳐진 하이브리드 방식이다. 청색 발광 OLED 광원과 적색과 녹색 발광 퀀텀닷을 결합하여 기존 OLED 기술보다 높은 색 재현력을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이 기술로 각광받고 있다. 또한, 높은 내구성을 가지며 원가 절감에 유리한 잉크젯 프린팅 방식의 적용이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 이를 위해서는 높은 발광효율의 퀀텀닷 잉크 개발이 필요하다.

마이크로 LED(Micro LED)

마이크로 LED는 기존 LED 사이즈의 1/10 수준인 초소형 LED를 정밀하게 배열한 차세대 디스플레이 장치이다. 단순히 LED 백라이트를 사용한 기존 LCD 디스플레이와 비교할 때 더 나은 명암비, 반응속도, 시야각, 밝기, 해상도, 수명, 에너지 효율을 제공할 수 있는 장점이 있다. 유연 기판에서도 구현이 가능하여 다양한 웨어러블 디스플레이, 피부 부착형 의료기기, 반도체 장비 등으로 활용을 위한 연구가 진행되고 있다.