서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 전기정보공학부 곽정훈 교수와 성균관대학교 임재훈 교수 공동 연구팀(이태수, 김병재 1저자)이 고휘도 조건에서도 안정적으로 구동 가능한 양자점 소재 및 소자 구조와 최대 330만 nit의 빛을 내고, 수만 nit의 고휘도 구동 상태에서도 안정적으로 동작하는 초고휘도 적색 QLED를 개발했다고 16일(화) 밝혔다.

현재 자발광 QLED는 그 활용처가 TV, 노트북, 핸드폰 등 중·저휘도(수백~수천 nit 수준) 디스플레이에만 제한돼 있다. AR/VR 장치나 옥외 디스플레이, 나아가 조명이나 광 치료 기기 등 다양한 분야에 QLED가 사용되기 위해서는 수만 nit 이상의 고휘도 조건이 요구되는데 지금까지의 QLED 소자는 고휘도에서 작동하지 않거나, 매우 낮은 소자 효율과 안정성을 보였다.

고휘도를 달성하기 위해서는 QLED에 높은 전류를 가해야 한다. 그러나 높은 전류에 의한 줄 열(Joule heat) 발생으로 소자의 열화가 가속화되고, 다중 여기자(Multi-exciton) 생성에 따른 비발광 오제(Auger) 재결합 증가로 양자점의 발광 효율이 저하돼, 고휘도의 QLED를 제작하기 어려웠다.

공동 연구팀은 양자점을 구성하고 있는 쉘의 구조를 정교하게 조절해 고전류에서 발생하는 비발광 오제 재결합을 효과적으로 억제함으로써, 높은 전류에서도 발광 효율을 유지할 수 있는 소재를 개발했다.

또한 열 전도도가 높은 실리콘 기판을 사용해 줄 열에 의한 소자의 열화를 억제했고, 광 추출 효율을 높이는 전면발광구조를 최적화해 휘도를 증가시켰다. 마지막으로 발광층 내부 양자점의 개수를 조절함으로써 발광 효율이 낮은 다중 여기자(Multi-exciton) 형성을 최소화했다.

소재부터 소자까지 다각적 접근을 통해 제작된 QLED는 최대휘도 330만 nit(광출력 50mW), 전류효율 75.6 cd/A를 나타냈고, 초기 휘도 100 nit에서의 예상 반감수명은 무려 1억2500만시간(약 1만4269년)에 달한다. 이는 지금까지 발표된 QLED 가운데 최고 휘도, 효율, 수명이다.

이번 연구 결과는 QLED 디스플레이의 실용화 연구에 이바지함과 동시에 높은 휘도가 요구되는 AR/VR 장치나 옥외용 디스플레이에도 적용 가능할 것으로 예상된다. 또한, 자발광 QLED의 활용 범위를 디스플레이뿐만 아니라 조명, 레이저, 광 치료(photobiomodulation therapy) 등으로 넓혀, 다양한 광(光) 관련 산업에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구 결과는 소재, 나노기술 및 과학 분야의 최고 권위 저널 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 학술지에 10월 27일 자로 온라인 게재됐으며, 산업통상자원부의 기술혁신사업과 서울대학교의 창의선도 신진연구자 사업, 미래창조과학부의 지원으로 수행됐다.