- 부산대 노정균 교수팀, 염화물 도핑으로 전자수송층 결함 사전 안정화…효율 1.8배 향상, 저장 후 성능도 유지

- 『스몰』지 7월호 게재…성능 평가·공정 효율을 높여 차세대 양자점 디스플레이 상용화 기대

부산대학교 연구팀이 제조 직후부터 최대 효율을 내고 보관 후에도 성능 변화가 거의 없는 양자점 발광다이오드(LED) 구현에 성공했다. 차세대 자발광 디스플레이 상용화의 걸림돌로 지목돼 온, 양자점 LED 제작 후 며칠간 보관하는 동안 효율이 뒤늦게 증가하는 ‘포지티브 에이징(positive aging)’ 현상을 전자수송층 소재 기술로 해결한 것이다.

부산대학교(총장 최재원) 전기공학과 노정균 교수 연구팀은 차세대 자발광 디스플레이로 주목받는 양자점 LED의 제조 직후 성능 신뢰성을 높일 수 있는 전자수송층 소재 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

왼쪽부터 부산대 노정균 교수, 이재엽 박사과정생. 부산대 제공

양자점 LED는 양자점 자체가 빛을 내는 자발광 소자로, 좁은 발광대역과 높은 색 순도, 용액공정 가능성, 발광 파장 조절 용이성 등 다양한 장점을 지녀 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다. 그러나 기존 소자의 경우 제작 직후보다 며칠간 보관한 뒤 효율이 증가해 최대 성능에 도달하는 ‘포지티브 에이징(positive aging)’ 현상이 나타나, 제조 직후 측정한 성능만으로 최종 성능을 판단하기 어렵다는 한계가 있었다.

이로 인해 소자 평가와 공정 보정, 제품 간 균일도 관리가 어려워지고, 최대 효율 도달을 위한 추가 보관 시간까지 필요해 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 포지티브 에이징의 주요 원인으로 마그네슘이 도핑된 산화아연(ZnMgO) 전자수송층 내부의 산소 공공 결함에 주목했다. 산소 공공은 산화물 반도체 내부에서 산소 자리가 비어 생기는 결함으로, 양자점과 전자수송층 계면에서 전하를 붙잡는 트랩으로 작용해 비방사 재결합을 유발한다. 시간이 지나면서 이 결함이 서서히 안정화되면 효율이 뒤늦게 증가하는데, 연구팀은 이런 시간 의존적 변화를 제조 단계에서 미리 억제하는 전략을 세웠다.

이를 위해 연구팀은 MgCl₂(염화마그네슘) 기반 염화물 도핑을 적용한 ZnMgO 전자수송층을 개발했다. MgCl₂는 ZnMgO 합성 과정에서 마그네슘 이온과 염화 이온을 동시에 공급하며, 도입된 염화 이온은 산소 공공 관련 결함을 사전에 안정화하는 역할을 한다. 별도의 후처리 없이 합성 단계에서 전자수송층 결함을 줄일 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다.

분석 결과, 일반 ZnMgO는 저장 기간 동안 산소 공공 관련 결함 특성이 달라진 반면, 염화물 도핑 ZnMgO는 제조 직후부터 낮은 결함 수준을 보였고 저장 후에도 거의 변하지 않았다. 이는 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층이 시간에 따라 뒤늦게 안정화되는 것이 아니라, 제조 단계에서 이미 사전 안정화됐음을 보여준다.

실제 양자점 LED에 적용한 결과도 뚜렷했다. 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층을 사용한 소자는 일반 ZnMgO 전자수송층 기반 소자보다 제조 직후 외부양자효율(EQE)이 약 1.8배 향상됐다. 염화물 도핑 ZnMgO 기반 소자는 제조 직후 최대 외부양자효율 14.70%를 기록한 반면, 일반 ZnMgO 기반 대조군은 8.13%에 머물렀다.

특히 일반 ZnMgO 기반 소자는 수일간 저장해야 효율이 제조 직후 값의 약 1.93배 상승해 최대치에 도달하는 뚜렷한 포지티브 에이징 현상을 보였다. 반면 염화물 도핑 ZnMgO 기반 소자는 제조 직후부터 최대 효율을 달성했고, 저장 15일 동안에도 효율 변화가 거의 나타나지 않았다.

이번 연구는 양자점 LED의 효율 향상뿐 아니라 제조 직후 성능과 저장 후 성능이 달라지는 문제를 전자수송층 소재 단계에서 해결했다. 이 기술은 향후 양자점 LED 디스플레이 제조 공정에서 성능 평가 시간 단축, 보정 부담 완화, 소자 간 균일도 향상, 제조 수율 관리 등에 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

노정균 교수는 “기존 양자점 LED는 제조 직후 측정한 성능이 며칠 뒤 달라질 수 있어 소자 평가와 제품 제작에 불확실성이 있었다”며 “이번 연구는 향후 고효율, 고신뢰성 양자점 디스플레이 구현의 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 나노기술 분야의 저명한 국제 학술지 『스몰(Small)』 7월호에 게재됐다.

※ 논문 제목: Positive Aging-Free Quantum Dot Light-Emitting Diodes Enabled by Single-Source Chloride-Doped ZnMgO Electron Transport Layers (단일 공급원 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층으로 구현한 포지티브 에이징 없는 양자점 발광다이오드)

※ 논문 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202514995

이번 연구는 한국연구재단(NRF)의 글로컬 R&D 사업 지원을 받아, 부산대 전기공학과 노정균 교수가 교신저자, 이재엽 박사과정생이 제1저자로 수행했다.