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국제학술지 네이처 논문 발표

삼성전자 모델이 CES2020에 앞서 5일 개최된 삼성 퍼스트 룩 2020 행사에서 마이크로LED 기술을 적용한 삼성전자 더 월 292형 제품을 소개하고 있다. 삼성전자 제공 삼성전자 연구진이 퀀텀닷발광다이오드(QLED) 디스플레이 시장 확대의 난제로 꼽혀온 청색광 양자점(퀀텀닷)의 효율을 끌어올리고 안정성을 높이는 기술 개발에 성공했다. 청색광 퀀텀닷은 적색이나 녹색에 비해 에너지가 큰 푸른 빛을 내야하지만 소재가 이를 견디기 어려워 이를 해결한 소재를 찾는 것이 난제로 꼽혀 왔다. 이번에 개발된 청색광 퀀텀닷은 전기를 받아 빛을 내는 방식의 '자발광' 퀀텀닷이다. 빛 변환 효율을 이론 효율까지 끌어올렸고 1만 시간 이상 안정적으로 빛을 발하는 데도 성공했다.

삼성전자는 QLED TV를 판매하고 있지만 이는 유기발광다이오드(OLED) 광원 앞에 빛을 받아 다른 색의 빛을 내는 퀀텀닷 필름을 덧씌운 형태다. OLED처럼 전기를 받아 스스로 빛을 내는 진정한 의미의 QLED 디스플레이는 아니라는 비판을 받아 왔다. 연구진은 지난해 적색광과 녹색광에서 자발광 QLED 효율과 안정성을 끌어올린 데 이어 이번에는 청색광 개발에도 성공하며 자발광 QLED 상용화의 가능성을 높였다. 전문가들은 이번 연구가 자발광 QLED TV가 상용화까지는 아직 멀었지만 청색광 퀀텀닷 개발이 가능함을 보여주고 다른 연구들과의 격차도 크다는 것을 알린 의미있는 결과라고 평가했다.

장은주 삼성전자 종합기술원 펠로우 연구팀은 셀레늄화아연(ZnSe) 기반 소재를 활용해 스스로 빛나는 청색광에서 최대 효율을 달성하면서도 안정적인 퀀텀닷을 개발했다고 이달 15일 국제학술지 '네이처'에 발표했다.

퀀텀닷은 수 나노미터(nm·10억 분의 1m) 크기의 반도체 입자다. 전류나 빛을 흡수해 다시 빛을 낼 수 있다. 반도체 크기가 작아져 양자역학이 적용되는 단계까지 내려가면 크기에 따라 색을 결정하는 빛의 파장을 세밀하게 조절할 수 있어 색상이 뛰어난 디스플레이를 만들 소재로 꼽힌다. 빛을 내는 반도체의 크기가 작아 세밀한 화소 표현이 가능한 것도 장점이다. 퀀텀닷을 이용해 만드는 디스플레이 소자가 QLED다. 국내 기업 중에서는 삼성전자가 QLED를 주력으로 연구하고 있다.

현재 삼성전자가 시중에 내놓은 QLED는 빛을 내는 광원을 뒤에 두고 앞에 퀀텀닷 필름을 배치해 광원의 빛을 받은 퀀텀닷이 다시 빛을 발하는 방식으로 색을 낸다. 때문에 전기를 받아 바로 빛을 내는 OLED와 다르다. QLED가 가지는 장점을 모두 활용할 수 없어 진정한 의미의 QLED 디스플레이는 아니라는 비판을 받기도 한다. 이에 삼성전자는 전기를 받아 바로 빛을 내는 자발광 QLED 개발에도 주력해 왔다.

장은주 펠로 연구팀은 지난해 11월에는 인화인듐(InP)을 활용해 유독한 중금속인 카드뮴을 쓰지 않으면서 효율도 높고 안정적인 QLED 소자를 개발했다고 네이처에 발표했다. 삼성전자는 자발광 QLED 소자의 발광 효율 21.4%를 달성하고 100만 시간을 가동할 수 있는 내구성을 보여 QLED 상용화 가능성을 보였다고 발표했다.

하지만 가장 난제로 꼽히는 청색광 QLED는 당시 연구결과에 포함되지 않았다. 퀀텀닷은 크기를 줄일수록 청색에 가까운 빛을 내게 된다. 하지만 퀀텀닷이 작아지면서 반대로 표면적은 넓어지게 된다. 표면에 결함이 없어야 높은 효율을 내는데 넓어질수록 결함 없이 균일하게 만들기가 어려워진다. 여기에 파장이 작아 반대로 에너지가 큰 청색광을 소재 자체가 오래 견디기도 어려웠다.

이번에 연구팀은 셀레늄화아연 소재를 기반으로 457nm 파장대의 청색광 퀀텀닷 합성 기술을 제시했다. 셀레늄화아연은 소재 자체의 색이 청색광에 가까워 최근 퀀텀닷 소재로 주목받아 왔다. 연구팀은 불산과 염화아연(ZeCl₂) 첨가제를 활용해 셀레늄화아연 결정 구조의 결함을 제거해 소재 자체의 발광 효율을 높였다. 여기에 염소의 농도를 층층이 조절한 코어로 퀀텀닷 외부를 감싸는 방식으로 전자가 전달되는 효율을 극대화했다.

그 결과 물질에 전기를 가했을 때 외부로 나오는 빛 에너지의 비율인 외부양자효율(EQE) 20.2%를 달성했다. 이는 청색광 퀀텀닷에서 이론으로 제시된 19.8%을 채웠다. 제곱미터당 100 칸델라(cd·선명함을 나타내는 광도의 단위)의 빛을 낼 때를 기준으로 광도가 처음의 50%로 떨어지는 데 1만 5850시간이 걸리는 것으로 나타났다. 다른 연구진의 청색광 퀀텀닷 개발 연구들에서는 광도가 50% 이하로 떨어지는 데 5분밖에 걸리지 않을 정도로 안정적이지 않은 청색광 QLED 의 안정성을 대폭 높인 것이다.

올해 삼성전자 미래기술육성사업에서 퀀텀닷 관련 연구과제를 맡게 된 양지웅 대구과학기술원(DGIST) 에너지공학전공 교수는 “청색광 QLED의 빛 효율은 이전 최고기록이 8~9%였는데 이번에 이론 효율에 도달한 것”이라며 “안정성도 안정한 시간을 제시하는 연구 자체가 없을 정도였는데 시간을 제시한 것만으로도 의미가 있다”고 말했다. 배완기 성균관대 나노공학과 교수는 “QLED 소재 개발이 학문적으로 많이 이뤄지는 가운데서도 청색 소재 개발이 부족했는데 이번 연구를 통해 고효율 LED가 나올 수 있다는 것을 보여줬다”고 말했다.

양 교수는 "이론효율에 도달한다는 것은 첫 단계로 얼마나 오랜 시간 구동했을때도 효율이 유지될지가 중요하다"며 "소재 안정성을 향상시키거나 하는 산업 단계의 연구는 아니지만 다른 연구에 비해서는 초격차를 이룬 것으로 보인다"고 말했다. 배 교수는 “산업적으로는 아직 선명도(휘도)나 수명에서 개선해야 할 길이 멀지만 학문적으로는 의미가 있다”며 "한국이 퀀텀닷에서 강국이고 삼성도 잘하고 있는데 제품 개발에 앞서 소재개발 기술을 보여준다는 의미가 있다"고 말했다.

삼성전자는 최근 QLED 관련 기술을 네이처와 같은 저명한 국제학술지에 일부 공개하며 QLED 상용화 가능성에 대한 기대감을 키우고 있다. 기업들이 사내 연구결과를 학술지에 공개하지 않는 것과 달리 적극적인 공개 방식으로 기술 주도권을 잡고 있다.

[조승한 기자 shinjsh@donga.com]

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