Special Issue  ______  빛 감응 양자점 LED개발

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빛으로 데이터 송수신부터 글씨 쓰기까지 척척

새로운 디스플레이 기술 선도의 청신호를 켜다

사물인터넷(IoT) 시대가 열리면서, 모바일 사용 증가와 더불어 다양한 디바이스와 앱 사용이 폭발적으로 증가하는 한편, 업무 효율성이나 정보처리 능력 향상을 위해 초고속, 대용량의 데이터 통신 방식이 요구되고 있다.
이처럼 초고속 데이터 전송 기술의 중요성이 높아지는 가운데, 미국 일리노이대학교, ETRI, 다우(Dow)社로 이루어진 공동 연구팀의 기술 개발이 화제다. 연구팀이 개발에 성공한 기술은 아령 모양의 반도체 양자점을 이용해 빛으로 정보통신 및 에너지획득이 가능한 차세대 디스플레이다.
이번 공동 연구를 통해 개발한 차세대 디스플레이는 LED 발광특성 및 광 감지 능력이 뛰어난 광반응 디스플레이다. 이 기술에 사용된 물질은 자체적으로 빛을 내는 수십~수백 나노미터(nm)의 반도체 결정인 양자점(Quantum dot)이다. 최근 국내 TV 제조사에서도 QLED라는 이름으로 LCD 패널과 LED 백라이트 사이에 사용 중이다.
이 기술의 핵심은 빛을 방출하는 것뿐만 아니라 빛을 흡수해 센서처럼 빛을 감지하는 것이다. 이에 따라 광량을 자동 조절해 어두운 환경에서도 LED가 자동으로 밝아질 수 있다. 또 레이저 포인터로 외부 빛을 가정해 활용, LED 픽셀에 빛이 들어옴을 감지하면 픽셀마다 외부 전기적 신호가 들어오도록 만들었다. 따라서 전자칠판이나 디스플레이 등에도 펜이나 손가락 접촉 없이 글씨를 쓸 수 있을 전망이다. 특히, 최근 급부상하고 있는 라이파이 기술에도 쓰일 것으로 전망 된다.

아령 모양 양자점으로 빛을 본 다기능 LED

기존 사용된 양자점의 특성은 코어(Core)와 쉘(Shell) 구조의 구형(球形)이며, 일반적으로 코어의 에너지 차이(Bandgap)가 작고 쉘 부분이 크다. 이처럼 양자점은 큰 에너지의 빛을 선택적으로 흡수 하거나 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출한다. 주로 LED, 광검출기, 태양전지와 같은 광전자 소자 등에 응용된다.
하지만 구형의 양자점은 주입된 전자와 정공을 다시 추출 하거나 분리하기가 쉽지 않다. 이런 문제점을 해결하기 위해 ETRI와 공동 연구진은 이중 이종접합 나노막대 양자점을 개발했다. 나노막대 끝에 코어와 쉘 구조의 양자점이 아령처럼 붙어있는 구조다. 아령 모양 양자점은 대칭적인 구조의 코어쉘 양자점과 달리 비대칭적 에너지 차이를 갖고 있다. 따라서 효율적인 전자와 정공을 주입하고, 추출 할 수 있다. 또, 두 개의 이종접합으로 구성되어, 전자와 정공 운반 시 독립적으로 조절할 수 있다.
연구진은 아령 모양의 양자점을 통해 발광과 광검출 특성을 모두 높일 수 있음을 발견했다. 다양한 분야에 응용할 수 있다는 것을 검증하기 위해 1inch x 1inch 기판에 100개의 픽셀을 제작하고, 특성도 평가했다. 이처럼 발광·감지의 이중 기능은 하나의 LED 픽셀이 다른 LED 픽셀과 빛을 주고받는 가시광선 통신이 가능함도 의미한다. 연구진은 LED 빛의 깜박임을 통해 두 LED 픽셀이 서로 데이터를 주고받는 속도가 50kHz까지 가능하다는 것을 증명했다.

세계에 한국의 이름을 빛내다

빛 감응 양자점 LED 기술은 펜과 잉크 없이도 새로운 방법의 표현이 가능하고, 라이파이 기술에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 연구진은 양방향 빛 감응 디스플레이가 태양전지 역할도 할 수 있음을 증명했다. 4개의 픽셀을 직렬 연결해 전기를 충전하고, 충전된 에너지로 해당 픽셀들이 다시 켜져, 자가 충전이 가능한 양자점 LED 구현이 가능할 것으로 예상된다.
향후 연구팀은 이번 기술 개발 성공을 바탕으로 차세대 디스플레이 장치 개발에 박차를 가할 예정이다. 연구팀의 목표는 나노입자의 구조와 성분 조절을 통해 발광과 광 감지 효율을 높이고 에너지 변환 효율이 더욱 높은 디스플레이 장치를 개발하는 것이다. 해당 기술의 상용화 시점은 5년~10년 이내로 보고 있다.
한편, 이번 기술의 논문은 세계적인 학술지인 사이언스(Science)에 게재되었다. 논문의 주저자는 미국 펜실베니아대 박사후 연구원으로 있는 오누리 박사, 일리노이 대학교의 김봉훈 박사, 조성용 박사, 심문섭 교수이고, ETRI에서는 실감디스플레이연구그룹의 남수지 박사가 연구에 참여했다. 총 17명의 저자 중 한국 과학자가 9명이나 된다는 점이 큰 의의를 갖는다.