'차세대 디스플레이' 퀀텀닷 LED 발광효율 3배 높이는 기술 개발

KIST 배완기 박사 "용액공정으로 고효율 양자점 제작 가능성 제시"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 차세대 디스플레이로 주목받는 퀀텀닷(양자점. Quantum Dot) LED의 발광 효율을 3배 높이고, 용액공정으로 고효율 양자점을 제작할 수 있는 가능성을 제시했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 배완기 박사팀은 23일 양자점에 '다분지형 덴드리머 리간드'(Multi-branched Dendrimer Ligand)라는 화합물을 결합해 양자점 LED의 발광효율과 전력효율을 3배 높이고 양자점 LED 제작에 용액공정을 적용할 수 있는 가능성을 확인했다고 밝혔다.

다기능성 덴드리머 리간드를 이용한 양자점 LED a. 양자점 LED 제작 공정(PAD: 덴드리머 리간드, QD: 양자점), b. 덴드리머 리간드의 화학구조식 및 모식도, c. 다기능성 덴드리머 리간드가 양자점-전자수송층(ZnO) 사이에 결합한 모습, d. 다기능성 덴드리머 리간드를 이용한 양자점 LED의 성능 비교, e. 다기능성 덴드리머 리간드의 전자수송층-양자점 간 결합을 통한 용액공정 가능성 제시. [KIST 제공=연합뉴스]

양자점은 수 나노미터(㎚=10억분의 1ｍ) 크기의 구형 반도체 나노입자로 크기를 조절, 발광 빛의 파장을 제어하고 우수한 색순도와 높은 발광효율을 구현할 수 있어 차세대 디스플레이와 조명 소재로 주목받고 있다.

연구진은 합성과정에서 양자점에 가지처럼 붙는 화합물인 리간드를 줄기가 하나인 형태에서 줄기가 여러 개인 다분지형 덴드리머 리간드로 바꿔 양자점의 외부 발광 효율과 전력 효율을 3배 높이는 데 성공했다.

기존 양자점 LED에는 합성과정에서 한 줄기로 된 올레산(oleic acid) 리간드가 붙는데, 전하수송층(Charge Transport Layer) 양자점 사이에 있는 이 올레산 리간드는 절연물질로 소자 구조상 발생하는 전자충전 현상을 막지 못해 발광효율을 떨어뜨리는 문제가 있다.

연구진은 이 올레산 리간드을 가지가 여러 개인 다분지형 덴드리머 리간드로 치환해 기존 양자점 LED의 한계를 극복했다.

덴드리머 리간드 양자점 LED는 전하수송층과 양자점 사이의 리간드 기능성 그룹이 전자수송층의 에너지 레벨을 변화시켜 외부발광 효율과 전력효율이 11.36%로 기존 양자점 LED(3.86%)보다 3배 높은 것으로 확인됐다.

덴드리머 리간드 양자점 LED는 외부발광 효율과 전력효율이 높을 뿐 아니라 덴드리머 리간드가 양자점과 전자수송층(ZnO)을 화학적으로 결합해 지지대 역할을 하기 때문에 용액공정으로 제작하는 게 가능하다고 설명했다.

배완기 박사는 "이 연구는 양자점 LED 구현에서 리간드의 중요성을 밝혀내고 이를 적용해 고효율 양자점 LED를 제작한 것"이라며 "전하수송층의 에너지 레벨에 맞춰 선별적으로 리간드를 선택할 수 있어 차세대 디스플레이를 위한 양자점 LED소자 연구에 전환점이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

한국연구재단 중견연구자지원사업 등 지원으로 KIST 배완기 박사와 고려대 조진한 교수, 한국과학기술원(KAIST) 이도창 교수, 서울대 이창희·차국헌 교수팀이 공동으로 수행한 이 연구 결과는 미국화학회(ACS) 저널인 'ACS 나노'(ACS Nano, 2016년 12월 14일자)에 게재됐다.

다기능성 덴드리머 퀀텀닷 LED 연구진 (왼쪽부터) 공동 교신저자인 KIST 배완기 박사와 고려대 조진한 교수, 공동 제1저자인 고려대 조익준(박사과정)씨와 서울대 정희영(박사과정)씨. [KIST 제공=연합뉴스]

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