양자점 전계발광소자(QD-LED)의 성능을 획기적으로 개선할 기술이 개발됐다.
양자점 전계발광소자는 나노미터 크기의 양자점에 전자와 홀을 직접 주입해 빛을 방출하는 광소자다.

한국연구재단은 임재훈 성균관대 교수 연구팀(제1저자 정운호 대학원생)이 양자점 전계발광소자의 밝기와 안정성을 한 단계 끌어올린 전무기 소자의 핵심 요소 ‘무기 홀전달층’의 원천 소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

전무기 소자는 전자 전달층과 홀전달층이 모두 무기물로 구성된 다층박막 형태의 소자 구조를 말한다.
홀전달층은 양극에서 홀을 양자점으로 전달하는 역할을 하는 기능 층이다.

양자점 기반 전계발광소자는 높은 색 순도를 특징으로, 차세대 디스플레이를 구현할 핵심 기술로 주목받는다.

다만 양자점 전계발광소자를 차세대 초실감 디스플레이, 옥외 디스플레이, 산업용 광원 등으로 확대하기 위해선 단위 면적당 광량을 범용 디스플레이보다 10배 이상 높여야 하는 어려움이 따른다.
또 현재 주로 사용되는 유기 홀전달층은 낮은 전도도와 불안정성으로 양자점 전계발광소자를 구현하는 데 발목을 잡았다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 결함이 제어된 산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자를 발광소자의 홀전달층으로 도입함으로써 전무기 전계발광소자의 외부 양자 효율을 16.4%까지 높이는 데 성공했다.
외부 양자 효율은 소자에 주입된 전하 대비 소자 외부로 방출된 광자의 비율이다.

산화니켈-산화마그네슘 합금 나노입자는 합성 과정에서 내·외부의 ‘니켈 공공(나노 입자 박막 안에서 홀의 양과 이동도를 높이는 매개체)’이 과도하게 발생해 광 효율을 떨어뜨리는 문제도 해결했다.

연구팀은 우선 표면에 존재하는 니켈 공공을 제거하기 위해 홀전달층의 홀 전도도를 낮췄다.
여기에 양자점 내부에서 홀 추출 과정을 억제해 소자 효율을 높이는 수산화마그네슘을 나노입자 표면에 처리함으로써 전무기 전계발광소자의 외부 양자 효율을 기존 기술과 비등한 수준으로 끌어올렸다.

임 교수는 “이번 연구는 대한민국 12대 국가전략기술 중 하나인 차세대 초실감 디스플레이에 양자점 기술이 사용될 수 있음을 확인케 한 주요 사례”라며 “전무기 소자의 효율과 안정성을 한층 더 높일 수 있도록 산화물 나노입자 합성법을 고도화하고, 초고해상도 화소를 제조하는 추가 연구가 필요하다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업, 중견연구, 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.
연구의 성과는 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 9월 23일자에 게재됐다.