삼성전자 QD 수명 개선 기술 개발...자발광 QLED에 한 걸음
삼성전자 QD 수명 개선 기술 개발...자발광 QLED에 한 걸음
  • 안석현 기자
  • 승인 2019.11.28 15:22
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네이처에 연구 성과 게재
QLED 디스플레이 상용화 위해서는 공정기술도 개발 돼야

삼성전자가 전기발광(EL) 방식의 퀀텀닷(QD) 디스플레이, 이른바 ‘QLED’ 개발을 위한 전기를 마련했다. 그동안 QLED의 난제로 여겨졌던 QD 수명문제를 개선할 수 있는 기술을 개발했다. QD를 화소위치에 정확하게 패터닝할 수 있는 공정까지 개발되면 QLED 상용화에 한 걸음 다가설 수 있을 전망이다. 

퀀텀닷 소재. /사진=나노코
퀀텀닷 소재. /사진=나노코

삼성전자는 27일(현지시간) QD 소재의 구조를 개선해 자발광 QLED 소자의 발광 효율 21.4%를 달성하고, 소자 구동 시간을 업계 최고 수준인 100만시간(휘도 100니트 반감수명 기준)으로 구현한 최신 연구 결과를 '네이처'에 게재했다고 밝혔다.

QLED는 작은 반도체 소자인 QD 알갱이가 전기에너지를 받아 직접 빛을 내는 구조의 디스플레이다. 자발광 방식인 만큼 따로 광원(BLU)이 필요 없고, 기판에 따라 유연하게 휠 수도 있다. 현재 삼성전자가 ‘QLED TV’로 명명해 팔고 있는 TV는 기존 LCD TV에 QDEF(QD를 적용한 색감 향상 필름) 한장을 더한 것에 불과하다. BLU도 여전히 필요하다.

QLED 디스플레이의 구조. 따로 광원이 필요 없고, QD 자체가 빛을 낸다. /자료=삼성디스플레이
QLED 디스플레이의 구조. 따로 광원이 필요 없고, QD 자체가 빛을 낸다. /자료=삼성디스플레이

최근 삼성디스플레이가 양산 투자에 나선 ‘QD디스플레이’는 삼성전자와 달리 LCD 방식에서는 완전히 멀어졌으나, QD가 전기가 아닌 빛 에너지를 받아 색상을 구현한다. 이를 ‘PL(Photo  luminecence)’ 방식의 QD디스플레이라고 부른다. 

QD가 자발광하는 게 아닌 탓에 청색 유기발광다이오드(OLED)가 광원으로 필요하다. 역시 정확한 의미의 QLED라고 부르기는 어렵다. 

그동안 QD를 이용한 자발광 디스플레이, 즉 QLED를 만들기 어려웠던 것은 EL 방식으로 빛을 낼 경우 에너지 효율이 낮고, QD 알갱이의 수명이 짧았기 때문이다. 

QD-OLED의 구조. QD가 OLED로부터 빛을 받아 색상을 낸다. /자료=삼성디스플레이
QD-OLED의 구조. QD가 OLED로부터 빛을 받아 색상을 낸다. 삼성디스플레이가 양산 투자를 발표한 'QD디스플레이'가 이 방식이다. /자료=삼성디스플레이

삼성전자는 이번에 네이처에 게재한 논문에서 빛 손실 개선을 위해 QD 입자의 발광 부분인 코어(Core)의 표면 산화를 억제했다. 코어 주위를 둘러싼 쉘(Shell)을 결함 없이 대칭 구조로 균일하게 성장시키는 동시에 두께를 증가시켜 에너지 손실을 최소화했다.

쉘 표면에 있는 리간드(Ligand)를 더 짧게 만들어 전류 주입 속도를 개선함으로써 QLED 소자의 발광 효율을 높이고, 수명을 늘릴 수 있었다. 리간드는 입자 분산 및 서로 뭉치는 현상을 막아주는 역할이다.

장은주 삼성전자 종합기술원 펠로우(교신저자)는 "삼성의 독자적인 핵심 소재 기술로 차세대 디스플레이 상용화 가능성을 보여줬다"며 "앞으로 새로운 구조의 퀀텀닷을 활용한 친환경 디스플레이의 개발 범위가 확대되기를 기대한다"고 말했다.

퀀텀닷 알갱이의 구조. 코어-쉘-리간드 3층 구조다. 알갱이 크기에 따라 색상이 달라진다. /자료=삼성전자
퀀텀닷 알갱이의 구조. 코어-쉘-리간드 3층 구조다. 알갱이 크기에 따라 색상이 달라진다. /자료=삼성전자

원유호 삼성전자 종합기술원 전문연구원(제 1저자)은 "이번 연구는 퀀텀닷 소재가 만들어지는 메커니즘을 이해해 쉘 두께에 상관없이 고효율의 퀀텀닷을 만드는 방법을 개발했다는데 의미가 있다"며 "소자에서 퀀텀닷 사이의 에너지 소모를 최소화하고, 전하 균형을 조절하여 QLED의 효율과 수명 개선의 방법을 제시한 것"이라고 말했다. 

다만 이번 연구 성과가 곧바로 QLED 디스플레이 상용화로 이어지는 것은 아니다. 자발광 QLED 디스플레이 상용화를 위해서는 생산공정 역시 새로 개발해야 한다. QD는 기존 OLED의 유기물질과 달리 증착(Evaporation) 기술로 제조할 수 없다. 반도체 알갱이인 QD가 열에 약하기 때문이다. 

따라서 용액에 QD를 섞어 인쇄하듯 화소를 형성하는 잉크젯 프린팅 기술 등이 동시에 개발되어야 할 것으로 보인다. 

업계 관계자는 “QLED는 궁극의 디스플레이지만, 아직 공정 기술 개발은 초기 단계”라며 “QD를 잉크젯 프린터로 인쇄하고, 이를 경화는 기술을 확보하는데만 최소 3년 이상이 걸릴 것”이라고 말했다.

 


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