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양자 막대 고효율 편광 LED 개발 성공…디스플레이 밝기·수명 2배 이상 늘린다

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- 부산대 노정균 교수-서울대 공동연구팀, 국제학술지 「스몰」 표지논문 선정 게재

- 액체 표면에 나노입자 띄워 압력 조절로 원하는 기판 박막 전사 ‘랭뮤어-블롯젯’ 기술 도입

부산대 노정균 교수
부산대학교-서울대학교 공동연구팀이 디스플레이 밝기와 수명을 기존의 2배 이상 늘리는 획기적인 기술을 개발했다. 나노미터 수준의 반도체 소재인 양자 막대(quantum rod, QR)를 정렬해 고효율 편광 LED 개발에 성공한 것인데, 디스플레이 성능 향상뿐만 아니라 편광판 제거로 인한 공정비용 절감까지 기대할 수 있어 상용화에 큰 기대를 모으고 있다.

부산대학교(총장 차정인) 전기공학과 노정균 교수는 서울대 반도체공동연구소 이승현 박사와의 공동연구를 통해 양자 막대 정렬을 통한 고효율 편광 LED 개발에 성공했다고 24일 밝혔다.

○ 관련 연구논문은 나노기술 분야의 국제 저명학술지인 『스몰(Small)』 8월 12일자에 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Inside front cover)으로 선정됐다.

- 논문 제목: Polarized Electroluminescence Emission in High-Performance Quantum Rod Light-Emitting Diodes via the Langmuir-Blodgett Technique(랭뮤어-블롯젯 기술을 통해 제작된 고성능 양자 막대 발광다이오드와 편광된 전기발광)

이번 연구는 한국연구재단의 중견연구, 우수신진연구, 기초연구실, 창의·도전연구의 지원을 받아 진행됐다.

‘양자 막대’란 수 나노미터(10억분의 1미터)의 지름과 수십 나노미터의 길이를 가지는 반도체 소재다. 이 소재는 선편광된 빛을 낼 수 있다는 장점을 가져 차세대 디스플레이 소재로 주목받아 왔다.

기존 상용화된 LCD와 OLED 디스플레이의 경우 무편광 빛을 광원으로 사용하고 있는데, 디스플레이 패널에서 필수적으로 사용되는 편광판으로 인해 전체적인 효율이 절반 이하로 감소하고 수명이 줄어드는 문제를 가지고 있다.

부산대 연구 개념도. (상) 랭뮤어 블롯젯 기술을 사용한 양자 막대의 정렬 방법 (하) 정렬된 양자 막대를 기반으로 한 양자 막대 LED의 소자구조와 편광판을 이용한 편광특성 분석 방법
빛은 전기장과 자기장이 합쳐진 전자기파로 파동성을 갖고 있다. 일반적인 빛은 진행 방향과 수직한 모든 방향으로 진동하는데, 빛이 특정 방향으로만 진동하며 진행하는 경우 ‘편광(偏光)’ 됐다고 말한다. ’편광판‘은 특정 방향으로만 진동하는 빛만 통과시키는 필름으로 광 필터 역할을 하며, 무편광인 일반적인 빛을 편광된 빛으로 만들 때 사용된다.

흔히 사용하는 LCD 디스플레이는 편광된 빛을 이용하는 구동 원리로 두 장의 편광판이 필요하다. OLED 디스플레이의 경우 자발광을 하는 구동 원리상 편광판이 필요하지는 않지만, 외부에서 들어온 빛에 의한 반사를 줄여 시인성을 개선하기 위해 한 장의 편광판을 사용하고 있다.

빛의 특정 성분만 통과시키는 편광판의 특성상 LCD의 백라이트, OLED에서 나오는 빛의 50% 이상이 편광판을 지나며 손실된다. 그 결과, 전체적인 효율이 절반 이하로 감소하고, 손실된 빛을 보상하기 위해 디스플레이를 두 배 더 밝게 켜야 한다. 이 때문에 디스플레이의 수명이 줄어들고 소비전력이 커지는 것이다.

이러한 문제점은 선편광 LED를 디스플레이 광원으로 사용함으로써 해결 가능하다. 편광판에 의해 감소되는 빛이 없기에 디스플레이를 더 밝게 켜지 않아도 돼 디스플레이의 소비 전력이 절반 이하로 감소하고 구동 수명이 두 배 이상 증가하게 된다. 또한, 편광판 제거로 인한 공정비용 절감까지 기대할 수 있다.

이러한 장점으로 그간 선편광된 빛을 내는 양자 막대 기반의 편광 LED 개발의 다양한 시도가 있었지만, 낮은 종횡비(aspect ratio, 가로세로비율)로 인해 양자 막대 정렬에 큰 어려움이 겪어왔다.

※ 낮은 종횡비: 길이가 긴 소재는 정렬하기 쉽지만, 길이가 짧은(가로세로비율이 낮은) 소재는 정렬이 어렵다.

또한, 정렬된 박막을 활용해 편광 LED를 제작하기 위해서는 하부층의 손상 없이 고밀도의 단일 층 양자 막대 박막을 형성해야 하는데, 기존 제시된 정렬법은 하부층에 손상을 주기 쉬웠고 추가 처리를 필요로 하는 등 고효율 편광 LED 제작에 적합하지 않았다.

그 결과, 현재까지 보고된 양자 막대 기반 편광 LED는 0.5% 정도의 낮은 효율을 보이고 있으며, 이는 이론적 최대 외부 양자효율인 20%에 크게 못 미쳐 상용화에 걸림돌이 되고 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 랭뮤어-블롯젯 (Langmuir-Blodgett, LB) 기술을 도입해 양자 막대를 고밀도로 정렬했다. ‘랭뮤어-블롯젯’ 기술이란 액체 표면에 나노입자를 띄우고 표면 압력을 조절함으로써 박막을 원하는 기판에 전사(轉寫)시키는 방법이다.

연구진은 이 방법을 사용해 하부층의 손상 없이 양자 막대를 높은 정렬도로 배열했고, 이를 이용해 양자 막대 LED를 제작했다. 그 결과, 기존에 발표된 양자 막대 기반 편광 LED의 최고 성능 0.5% 대비 20배가 넘는 10.3%의 효율을 가지는 고효율 편광 LED 제작에 성공했다.

연구를 이끈 부산대 전기공학과 노정균 교수는 “이번 연구로 정체되어 있던 양자 막대 기반의 선편광 광원 개발에 탄력이 붙을 것”이라며 “고효율 선편광 광원은 기존 디스플레이 밝기 및 수명을 2배 이상 늘리고 공정비용을 낮출 수 있는 획기적 기술로 향후 우리나라가 디스플레이 최대 강국의 위치를 지켜나갈 원천기술이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 권영미 기자 kym8505@kookje.co.kr
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