퀀텀닷(Quantum dot:양자점), QLED의 원리와 정의 간단 리뷰

 

 

  QLED란 무엇일까? OLED와의 차이는?

 

 OLED는 유기물소자(발광물질)가 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 반응을 이용한 것이다. 이때 빛의 3원색인 RGB에 따라 사용되는 발광물질이 달라진다. 

 그렇다면 QLED는 뭘까. QLED에서 쓰이는 퀀텀닷(Quantum dot:양자점)은 수 나노미터(nm)의 반도체 결정이다. 퀀텀닷은 같은 물질이라도 입자의 크기에 따라 발현되는 색깔이 다르며, 이는 OLED와 흡사한 원리를 가졌다.

 

source : 삼성디스플레이

 

• OLED의 원리와 정의 간단 리뷰

OLED의 원리와 정의 간단 리뷰

 

 

 우선 원자를 보면, '원자핵'이 있고 주위에 전자가 돌아다니는 '전자껍질(궤도)'가 있다. 이때 전자는 외부의 에너지를 얻으면 바깥쪽으로 올라가고, 에너지를 잃으면 안쪽으로 이동한다. 이때 전자가 몇 번째 궤도에 있느냐에 따라 원자가 갖는 에너지값이 달라지고, 한 원자가 가지는 에너지값 전체를 표현한 것을 '에너지 준위'라고 한다.

 

 보통 원자가 하나만 있을 때, 에너지 준위는 특정한 수로 정해져 있으며, 에너지값도 정해져 있다. 하지만 원자가 모이기 시작하면 서로 영향을 받아 에너지 준위에 변화가 생긴다. 

 

source : 삼성디스플레이

 

 

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 원자가 점점 많아질수록 기존에 가진 에너지 준위와 다른 에너지 값들이 나타나고, 특정한 값이 아니라 특정 범위로 넓혀지게 된다. 이렇게 에너지 값이 범위로 표현된 것을 '에너지 밴드'라고 한다. 

 

 그리고 이때 전자가 존재할 수 있는 최상위 에너지 준위인 '가전자대(valence band)'와 전자가 비어있는 최하위 에너지 준위인 '전도대(conduction band)'로 나누어지며, 이 두 밴드 사이의 크기를 '밴드갭(bandgap)'이라고 한다.

 

source : 삼성디스플레이

 

 입자 혹은 입자의 크기에 따라 발현되는 색깔이 다른 이유는 전자가 에너지를 잃으면서 빛 에너지를 방출하는데 이때 에너지의 크기가 물질마다, 그리고 입자의 크기마다 다르기 때문이다.

 

 원리는 양쪽 전극에서 전자와 정공의 형태로 전기적 에너지가 주입되어, 이때 전자를 많이 가진 음플라론이, 전자를 적게 가진 양폴라론으로 여기상태의 전자가 기저상태로 가면서 빛 에너지를 방출한다. 이를 ‘전계 발광(EL; Electroluminescence)’이라고 하며, OLED 역시 이와 같은 방식으로 빛 에너지를 방출한다. 

 

 

 

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source : 삼성디스플레이

 

 

 전자가 에너지를 잃으면서 빛에너지를 방출할 때, 수많은 원자로 물질이 이루어져 있기 때문에 방출하는 에너지가 특정한 값이 아닌 특정한 범위가 된다. 예를 들어 630nm의 빨간색을 발한다고 하면, 주요 발광색이 630nm인 것뿐이며 실제로는 더 넓은 범위의 파장의 빛이 함께 방출되므로 색의 순도가 떨어진다.

 

 하지만 퀀텀닷을 사용하는 QLED는 몇 개의 원자로만 이루어져 있기 때문에 특정한 에너지 준위, 혹은 아주 좁은 에너지 범위를 가지므로, 보다 정확한 파장에 빛을 발현한다.

 

 즉, 순도가 높은 색을 표현할 수 있는 것이다. 게다가 완벽한 QLED를 구현 시 OLED처럼 백라이트가 필요가 없으며, 유기물이 아닌 무기물로서 소자의 수명 문제를 해결하여 OLED의 단점인 번인현상을 극복할 수 있다.

 

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 참고로 우리가 눈으로 볼 수 있는 색은 380~700nm의 파장을 갖는 빛인 가시광선이다. 각각의 색마다 고유의 파장을 가지고 있으며, 흔히 말하는 빛의 삼원색 RGB는 국제조명위원회(CIE)에서 빨간색은 700nm, 초록색은 546.1nm, 파란색은 435.8nm로 정해놨다.

 

 다만, 현재 기술로는 완벽한 삼원색 파장의 빛을 만들어내진 못한다. 그래서 기술로 구현할 수 있는 삼원색의 파장을 정하고, 이에 근접하게 발전시키고 있다. 가장 높은 단계의 색 표준인 'BT.2020'은 목표로 하는 삼원색의 파장을 빨간색 630nm, 초록색 532nm, 파란색 467nm로 정해놓고, 이 기준에 100% 도달하기 위해 연구개발을 거듭하고 있다. 

 

 퀀텀닷이 디스플레이에서 각광받는 이유는 앞서 말했듯이 백라이트가 필요 없음 + 수명 문제 해결 + 삼원색의 파장에 가장 근접하기 때문이다.

 

 

 

 2014년 말, 삼성은 3-5족 퀀텀닷인 인화인듐(InP)을 사용한 TV를 개발했다고 전 세계에 발표했다. 이는 최초의 친환경 퀀텀닷 TV의 탄생이었다.

 

 하지만 현재 상용화된 QLED는 진짜 퀀텀닷을 이용한 디스플레이가 아니라, 퀀텀닷 필름을 이용한 디스플레이다. 즉, 퀀텀닷이 스스로 빛을 내는 게 아닌 백라이트에서 청색빛을 발산하고, 청색은 그대로 우리 눈에 들어오고, 적색과 녹색에 퀀텀닷 필름 거쳐 색변환과 함께 좀 더 선명한 색으로 바뀌며, 전기장으로 각 액정의 배열을 조절한 화면이 우리 눈에 비치는 것이다.

 

 이때 사용되는 방식이 외부로부터 빛의 형태로 특정 파장의 에너지가 주입되어 QD가 빛을 내는 경우로 ‘광 발광(PL; Photoluminescence)’이라고 한다. 그래서 지금 상용화된 QLED TV는 백라이트를 이용하므로 사실 QD-LCD가 더 정확한 표현이겠다.

 

source : https://younganimal.tistory.com/569

 

 2014년에 개발한 퀀텀닷은 백라이트에서 나온 빛을 받아 다른 색으로 바꿔주는 컬러필터의 역할을 했다면, 좀 더 선명한 색을 위해 최근엔 파란색 빛을 내는 OLED를 사용하고, 그 앞에 OLED 빛을 받아 빨간색과 녹색 등의 빛을 다시 낼 수 있는 퀀텀닷을 배치하는 형태의 QD-OLED를 집중해서 개발하고 있다.

 

 그리고 2019년 11월엔 직접 전류를 받아 원하는 색깔의 빛을 바로 내는 자발광 퀀텀닷을 개발했다. 더불어 이것을 디스플레이에 응용했을 때 충분히 안정적인 수명을 유지한다는 사실까지 입증하고, 세계적인 학술지 네이처에 이를 게재했다.

 

삼성전자, 안전성·효율 다 잡은 차세대 QLED기술 '네이처'에 발표

 

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 원래 퀀텀닷에 주로 사용됐던 재료는 카드뮴이다. 카드뮴은 빛을 흡수하는 능력이 뛰어나 태양전지에서는 최고 효율이 16.6%로 10%를 넘지 못하는 다른 재료보다 뛰어난 효율을 보여준다.

 

 하지만 카드뮴은 발암물질로서 인체에 심각하게 유해하다. 이 때문에 카드뮴을 대체하기 위한 물질로 13족과 15족 원소을 합성화한 인화인듐(InP)을 사용하며 연구하고 있다.

 

 앞서 삼성의 퀀텀닷 필름을 이용한 디스플레이에서도 인화인듐(InP)을 활용해 만들었는데, 카드뮴에 비해 광전환 효율, 색 순도와 열안정성, 수명 등의 효율이 떨어진다. 

 

 삼성을 비롯한 많은 연구진들은 3-5족 퀀텀닷이 이런 문제점을 뛰어넘을 수 있는 최선의 방법은 퀀텀닷의 표면을 ‘잘’ 조절하는 것이라고 말한다.

 

 

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 퀀텀닷의 기본구조는?

 

 퀀텀닷의 기본구조는 가운데 '핵심물질(코어)'을 두고 그 핵심물질을 '껍질(쉘)'로 감싼 뒤, 그 바깥에 '리간드'라는 물질을 부착한다. 특히 리간드는 금속 원자에 전자쌍을 제공하는 화합물로, 퀀텀닷에서는 열이나 습기와 같은 외부 환경으로부터 코어를 보호하는 동시에 광전 효율도 높이는 역할을 한다.

 

 퀀텀닷의 주 기능은 코어가 담당하지만, 주변에 영향을 많이 받기 때문에 표면의 특성을 조절해주는 것이 퀀텀닷의 효율을 증가시킬 수 있는 방법이다. 삼성은 현재 퀀텀닷 코어 표면 산화를 억제하거나 쉘을 대칭 구조로 균일하게 성장시키면서 두께는 증가, 에너지 손실을 최소화하는 기술을 개발하고 있다. 외부 환경으로부터 쉘과 코어를 보호하는 쉘 표면의 리간드는 짧게 만들어 전류가 들어가는 속도를 높여 발광 효율은 높이고 수명은 늘렸다.

 

 퀀텀닷은 디스플레이 외에도 잉크젯 방식의 반도체 소자, 태양전지 등 다양한 용도로 쓰이기 위해 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

QLED 기술은 무엇인가

source : 삼성디스플레이