국내 연구진이 중금속 문제가 없는 고효율 발광다이오드(LED)를 세계 최초로 개발했다. 유기발광다이오드(OLED)를 뛰어넘는 친환경 양자점 디스플레이 기술 상용화 가능성이 열렸다.
서울대는 차국헌 화학생물공학부·이창희 전기정보공학부·이성훈 화학부 교수 공동 연구팀이 “고휘도·고효율 친환경 양자점 LED를 구현했다”며 “차세대 총천연색 디스플레이, 고효율 조명, 레이저 등 실제 생활에 사용할 수 있는 LED 소자를 상용화 할 수 있을 것”이라고 17일 밝혔다.
지금까지 양자점 LED 연구는 주로 카드뮴 화합물을 이용해 이뤄졌다. 환경과 인체에 유독한 카드뮴은 세계적으로 사용이 엄격히 제한돼 양자점 LED를 상용화하는데 걸림돌이 됐다. 대체 소재인 인화인듐(InP)도 양자점을 합성한 사례가 드물고 발광소자에 적용하더라도 효율이 매우 낮았다.
서울대 공동연구팀이 개발한 양자점 LED는 핵심 소재인 콜로이드 양자점 내부에 전자와 홀을 직접 주입했다. 전자와 홀이 결합해 빛을 만들어내는 방식이다. OLED에 비해 우수한 색순도와 효율을 지닌 총천연색 디스플레이를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
연구팀은 인화인듐 기반 친환경 양자점을 합성하고 최적화된 LED 구조를 고안했다. 1.1나노미터 크기 인화인듐 핵에 아연·셀레늄·황 합금 껍질을 만들어 높은 효율을 지닌 양자점을 만들었다.
전자와 홀 주입이 최적화된 다층소자구조에 친환경 양자점을 적용한 결과 높은 최대발광효율과 최대밝기를 지닌 친환경 양자점 LED를 유연성 기판에 구현하는데도 성공했다. 연구결과는 해외에서도 주목받아 지난달 미국화학회지 `ACSNano`지에 게재됐다. 서울대 공동 연구팀은 지난해 이미 양자점을 발광체로 한 고효율 적·녹·청색 고효율 LED를 개발한 바 있다.
연구성과는 미래창조과학부가 지원하는 창의적 연구지원사업, 세계수준의 연구중심대학 육성사업, 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부가 지원하는 고성능 황 화합물계 반도체 백플레인 및 카드뮴이 없는 고효율 유무기 하이브리드 EL소재·소자 원천 기술개발사업의 지원을 받았다.
양자점= 2~10나노미터 크기 중심체와 황화아연(ZnS) 껍질로 이뤄져있다. 껍질 표면에 고분자 코팅을 하기 때문에 보통 10~15나노미터 입자를 가진다. 좁은 파장대에서 강한 형광을 발생하고 양자점 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선 영역 속 모든 빛을 낼 수 있다. 천연색을 구현하기 때문에 LED 단점을 보완할 수 있다.
권동준기자 djkwon@etnews.com
