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차세대 디스플레이 '퀀텀닷' 21배 밝아진다

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차세대 디스플레이 '퀀텀닷' 21배 밝아진다

2019.09.30 13:14
KAIST 연구팀이 개발한 블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재는 기존보다 빛 흡수 및 방출 효율이 4~5배씩 높고 내구성이 뛰어나다. 전체적인 발광 특성은 기존 필름 퀀텀닷보다 약 21배 높은 것으로 측정됐다. KAIST 제공
KAIST 연구팀이 개발한 블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재는 기존보다 빛 흡수 및 방출 효율이 4~5배씩 높고 내구성이 뛰어나다. 전체적인 발광 특성은 기존 필름 퀀텀닷보다 약 21배 높은 것으로 측정됐다. KAIST 제공

차세대 디스플레이 기술로 꼽히는 양자점(퀀텀닷)의 밝기를 기존보다 21배 이상 높일 수 있는 새로운 소재를 국내 연구팀이 개발했다. 효율 좋고 내구성 높은 디스플레이를 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.


KAIST 신소재공학과 정연식·전덕영 교수와 전기및전자공학부 장민석 교수, 김건영·김신호·최진영 연구원 연구팀은 퀀텀닷에 스펀지나 팝콘처럼 내부에 구멍이 가득 나 있는 고분자 물질을 융합시킨 새로운 발광 소재를 개발했다고 30일 밝혔다.


퀀텀닷은 크기가 수 nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m)인 반도체 입자다. 빛을 받으면 에너지의 형태로 흡수하고, 특정 조건에서 다시 빛을 발하는 특성이 있어 디스플레이나 광센서, 태양광패털 등에 활용하려는 연구가 활발하다. 특히 빛을 내는 특성과 전기적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 게 장점이다. 


국내에서는 이런 장점을 활용해 일부 발광다이오드(LED)나 유기발광다이오드(OLED)를 텔레비전에 응용한 퀀텀닷 LED, 퀀텀닷 OLED 텔레비전이 출시돼 있다. 보통은 필름 형태로 만든 퀀텀닷 소재를 이용하는데, 순수한 퀀텀닷 필름은 빛을 흡수하는 성능이 뛰어나지 못하고 주변 퀀텁닷과의 상호작용으로 빛이 소자 내부에 갇혀 잘 방출되지 않아 효율이 낮다는 단점이 있었다.


연구팀은 이 문제를 해결하고자 두 개 이상의 고분자 사슬이 공유결합을 통해 스스로 연결되며 주기적 패턴을 갖는 소재가 되는 ‘블록공중합 고분자’를 이용했다. 블록공중합 고분자를 습도가 제어된 환경에서 코팅한 뒤 고분자와 물 입자 사이를 미세하게 분리해 수분을 증발시켰다. 그 결과 미세한 구멍이 가득한 다공성 구조에 퀀텀닷이 고르게 배열된 소재를 개발하는 데 성공했다. 마치 옥수수를 가열하면 내부 수분이 수증기로 팽창해 빠져나가면서 속에 구멍이 가득한 팝콘 구조가 형성되는 원리와 비슷하다. 


연구팀은 이 구조에 퀀텀닷을 결합하자 빛을 흡수하고 다시 방출하는 성능이 각각 4~5배씩 증가함을 확인했다. 정연식 교수는 전화통화에서 “다공성 구조 덕분에 빛이 흩어지는 '산란'이 늘어 빛과 퀀텀닷이 접촉이 많아져 흡수가 높아진데다, 표면 거칠기가 늘어나는 효과가 생겨 빛이 퀀텀닷 소재 내부에 갇히는 주 원인인 내부 전반사 현상이 사라진 게 원인”이라고 말했다. 거울로 둘러싸인 방에 빛이 들어가면 내내 반사를 하면서 갇히게 되는데, 이런 일이 사라져 밖으로 빛이 잘 빠져나갔다는 뜻이다.

 

블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재의 구조다. 구멍 많은 블록공중합 고분자가 스펀지나 팝콘 같은 다공성 구조를 형성해 빛을 산란해 빛 흡수율과 방출도를 높였다. 퀀텀닷 외에 기존 LED에도 응용할 수 있다. KAIST 제공
블록공중합 고분자 및 퀀텀닷으로 이뤄진 나노 복합소재의 구조다. 구멍 많은 블록공중합 고분자가 스펀지나 팝콘 같은 다공성 구조를 형성해 빛을 산란해 빛 흡수율과 방출도를 높였다. 퀀텀닷 외에 기존 LED에도 응용할 수 있다. KAIST 제공

여기에 퀀텀닷이 일정한 간격으로 고르게 배열되면서 상호 간섭도 줄어든 것도 효율을 높이는 데 도움이 됐다. 그 결과 발광 특성이 순수 퀀텀닷 필름에 비해 21배 증가하고 내구성은 45% 높아진다는 사실을 확인했다. 또 퀀텀닷이 아닌 기존 LED에도 적용한 결과 역시 7배의 성능 향상이 가능함을 확인했다.


정 교수는 “모든 가시광선 파장에서 발광 강도가 증가하는데다 다양한 발광소재에 적용할 수 있어 적은 비용으로 우수한 발광 성능을 구현할 수 있다”며 “국내 특허를 등록하고 미국 등 해외 특허도 심사 중이다. 기술사업화를 위해 노력할 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘나노레터스’ 3일자에 발표됐다.
 

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