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ETRI Webzine

VOL.131
May 2019

Interview  ____  유연소자연구그룹 이현구 그룹장

온전히 빛나는 QLED,
언제쯤 구현될까?

유연소자연구그룹 이현구 그룹장

최근 글로벌 시장조사 업체인 IHS 마켓에 따르면 올해 1분기 QLED TV 판매량이 91만 2000대를 돌파했다. OLED TV 판매량 61만 1200대를 30만대가량 앞지른 셈이다. 이처럼 선명한 초고화질을 구현하는 디스플레이에 대한 수요가 점점 늘어나고 있다. 그렇다면, 한 차원 앞서가는 QLED는 기존의 디스플레이와 어떤 점이 다를까? ETRI ICT소재부품연구소 유연소자연구그룹 이현구 그룹장을 만나보았다.

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온전히 빛나는 QLED, 언제쯤 구현될까?

동일한 전압을 가해 기존 소자와 ETRI 연구진이 개발한 소자의 밝기를 실험하는 모습

차세대 디스플레이로 떠오르는 QLED란
무엇인가요?

최근 자연에 가까운 색을 재현하는 디스플레이 수요가 증가하면서 가장 넓은 색을 제공하는 QLED에 대한 관심이 높습니다. QLED(Quantum dot Light-Emitting Diodes)는 스스로 빛을 내는 퀀텀닷(Quantum dot, 양자점) 소자를 활용한 디스플레이입니다. 양자점 발광다이오드라고도 하며, 수명이 길고 색 재현율이 높아 차세대 디스플레이로 주목받고 있습니다. 여기서 퀀텀닷은 물질의 크기가 나노미터로 줄어들 경우 전기적·광학적 성질이 크게 변화되는 나노크기의 반도체입자를 말합니다.

유기물로 구성된 OLED(Organic Light Emitting Diode)와는 다르게 QLED는 발광층이 무기물로 이루어져 있고, 양자점의 크기에 따라 원하는 색상을 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 색 순도가 훨씬 높아 TV를 만들었을 때 OLED보다 훨씬 많은 색을 구현할 수 있습니다. 아울러 QLED는 백라이트가 있어야 하는 LCD(Liquid Crystal Display)보다 더 얇게 만들 수 있어 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있습니다.

QLED가 차세대 디스플레이로 주목받기 시작하면서 기업들은 QLED TV를 내놓기 시작했습니다. 아마 TV 광고나 마트에서 한 번쯤은 접해보셨을 것입니다. 그러나 사실 시중에 나와 있는 QLED TV는 LCD TV에 양자점으로 된 필름을 LCD 백라이트 앞에 삽입하는 방식입니다. 즉 백라이트 발광 빛을 광원으로 사용하여 이 빛을 흡수한 양자점이 다시 양자점 고유의 빛을 발광하는 구조입니다. 실제 구동은 LCD 액정을 이용하는 셈입니다. 쉽게 말해 자발광 현상이 아닌 광발광 현상을 이용한 일종의 LCD TV라고 보시면 됩니다. 정확히 말하자면 아직 완전한 QLED TV는 상용화되지 않은 상태입니다. 최근 중국에서 자체발광하는 QLED 디스플레이를 전시한 바 있지만, 뛰어난 성능을 보이진 않았습니다. 다만, QLED 자체발광을 이용한 디스플레이를 전시했다는 점에 의미가 있었습니다. 현재 세계 각국의 디스플레이업체에서 QLED를 개발 중인 상황입니다.

정공
플러스(+) 전하를 가진 전자와 같은 거동을 하는 가상 입자로, p형 반도체에서 전류를 운반하는 것을 말함

ETRI 연구진이 QLED 레이어를 증착 장비에서 공정을 진행하는 모습

ETRI가 개발한 QLED 정공 주입 개선 기술이란 무엇인가요?

QLED에서 가장 중요한 것 중 하나는 전자와 정공이 만나 빛이 되는 것입니다. 그러나 그동안 QLED 개발에는 정공 주입이 어렵다는 문제가 있었습니다. 전자는 양자점에 좀 더 쉽게 주입이 되는 특징이 있지만, 정공의 경우 정공 수송층과 양자점 사이의 높은 에너지 장벽으로 인해 양자점으로 정공 주입이 더 어려웠기 때문입니다. 이러한 전자-정공 불균형 문제는 양자점 발광다이오드의 성능을 떨어뜨리고 소자의 수명을 짧게 만들어 이를 해결하기 위한 연구가 필요했습니다.

이에 ETRI 연구진은 양자점 표면 특성을 개질하여 양자점에 정공이 잘 주입될 수 있도록 바꾸었습니다. 바로 발광층으로 사용되는 양자점의 정공 쪽에 해당하는 부분만 피리딘이라는 물질로 바꾼 것입니다. 결국, 피리딘으로 정공을 쉽고 빠르게 이동시킬 수 있었던 셈입니다. 이로써 정공의 주입이 향상됨으로써 같은 전압인데도 불구하고, 효율을 향상시킬 수 있었습니다. 그 결과 피리딘 처리를 하지 않은 소자보다 최대 4.5배의 밝기, 1.7배의 전류효율, 2.3배의 전력효율을 가지는 양자점 발광 다이오드의 구현에 성공했습니다.

QLED 정공 주입
정공 수송층으로부터 양자점으로의 정공 전달

피리딘(Pyridine)
5개의 탄소 원자와 1개의 질소 원자가 6각형 모양으로 이루어진 고리 구조의 유기화합물

ETRI ICT소재부품연구소 유연소자연구그룹 이현구 그룹장

QLED 기술선점, 어떤 의미가 있나요?

현재 디스플레이 시장이 LCD에서 OLED로 넘어가는 상황입니다. OLED의 경우 우리나라가 먼저 기술을 선점해 전 세계 패널 점유율의 대부분을 차지하고 있지만, 가격을 낮춰야 하는 숙제가 남아있습니다. 반면 LCD는 중국이 점유율 측면에서 앞서고 있습니다. 현재 중국은 LCD와 관련한 대규모 공장을 건축해 대규모 물량을 저렴한 가격에 공급하기 때문에 우리나라 관련시장이 힘들어진 상황입니다. LCD에서 OLED로 디스플레이 시장이 바뀌듯이 추후에는 OLED에서 QLED로 시장이 변화할지도 모릅니다. 이때 우리나라가 기술을 선점하게 된다면 위와 같은 문제를 해소하고, 경제적으로 많은 이익을 창출할 수 있을 것으로 예상합니다.

QLED 상용화는 물론 새로운 연구로 돌파구를 찾을 수 있는 아이템을 개발해 나가는 유연소자연구그룹

QLED의 상용화을 위해 보완되어야 할 문제는 무엇인가요?

QLED가 상용화되기 위해서 기술적으로 해결해야 할 문제들이 많습니다. 현재 보고된 바에 의하면, 녹색이나 적색의 경우 색이나 수명 측면에서 어느 정도 성능을 내고 있습니다. 그러나 청색은 아직까지 수명이나 색 효율 측면에서는 해결해야 할 문제가 있습니다.

과거에는 양자점을 개발할 때 카드뮴이라는 소재를 사용했습니다. 카드뮴이 적용된 양자점은 우수한 특성을 보이지만, 독성이 있기 때문에 현재 관련 연구를 수행하는 학교, 연구소 및 회사는 대부분 비카드뮴 계열로 연구를 진행하고 있습니다. 그러나 비카드뮴 계열은 카드뮴 계열보다 색 순도 및 효율이 낮고, 수명 또한 현저히 떨어집니다. 이 부분을 개선하는 것이 QLED 상용화에 있어 관건일 것 같습니다. 여기서 말씀드린 수명이란 전압을 걸어 빛을 냈을 때, 빛의 지속성을 말합니다. 이 수명을 개선하기 위해서 양자점 자체도 더 안정적이어야 하고, QLED 소자도 개선되어야 합니다.

아울러 앞서 말씀드렸다시피 QLED 상용화를 위해 기술적으로 해결해야 할 것들이 많습니다. 가장 관건인 청색 특성 효율 측면 외에도 소자구조 측면, 양자점 비카드뮴 계열의 소자 부분도 추가적인 연구가 필요합니다. 또 QLED는 용액공정을 거치기 때문에 프린팅 부분에서도 개선해야 할 점이 있습니다. QLED는 용액공정이 가능하기 때문에 향후 잉크젯 프린팅과 같은 방식을 사용해 패널을 제조하게 되면, 값싸게 TV를 제조할 수 있을 것으로 예상합니다. 이처럼 기술의 상용화를 위해서는 모든 부분이 종합적으로 조화를 이뤄야 하므로 빠르면 3년에서 5년 정도 걸릴 것으로 예상합니다.

Editor epilogue

마지막 질문으로 이현구 그룹장의 최종목표를 물었을 때 그는 “현재 디스플레이 산업이 치열하고, 기업이나 연구소에서도 앞으로 어떤 방향으로 나아가야 할지 어려운 상황입니다.”라고 말했다. 덧붙여 “이에 새로운 돌파구를 찾을 수 있는 아이템을 개발해 관련 연구를 진행해 가는 것이 ETRI의 목표입니다.”라고 전했다. 현재 유연소자연구그룹과 이현구 그룹장은 미래를 구현하는 QLED 등의 차세대 디스플레이 기술선점을 목표로 기술개발에 매진 중이다. 아울러 다양한 각도에서 돌파구를 찾기 위해 QLED를 광센서로 활용한 보안 디스플레이 연구개발에도 나서고 있다. 이러한 연구진의 노고를 통해 우리나라가 QLED 세계 최초 상용화라는 결실의 열매를 맺길 기대해본다.

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