인더뉴스 제해영 기자ㅣ부산대학교는 전기공학과 노정균 교수 연구팀이 양자점 발광다이오드의 제조 직후 성능 신뢰성을 높이는 전자수송층 소재 기술을 개발했다고 16일 밝혔습니다.

연구팀은 소자를 만든 뒤 며칠간 보관해야 효율이 증가하는 포지티브 에이징 현상을 억제해 제조 직후부터 최대 효율을 구현했습니다.

양자점 LED는 양자점이 직접 빛을 내는 자발광 소자입니다. 발광대역이 좁고 색 순도가 높으며 용액공정이 가능하고 발광 파장 조절이 쉬워 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있습니다. 하지만 기존 소자는 제작 직후 측정한 효율보다 며칠간 저장한 뒤의 효율이 더 높아지는 특성을 보였습니다.

이 때문에 제조 직후 성능만으로 최종 성능을 판단하기 어려웠고 소자 평가와 공정 보정, 제품 간 균일도 관리에도 불확실성이 생겼습니다. 최대 효율에 도달할 때까지 별도의 보관 시간이 필요하다는 점도 양자점 디스플레이 양산 공정의 부담으로 지적돼 왔습니다.

연구팀은 포지티브 에이징의 주요 원인으로 마그네슘이 도핑된 산화아연인 ZnMgO 전자수송층 내부의 산소 공공 결함에 주목했습니다.

산소 공공은 산화물 반도체 내부에서 산소가 있어야 할 자리가 비어 생기는 결함입니다. 이 결함은 양자점과 전자수송층의 계면에서 전하를 붙잡는 트랩으로 작용하고 빛을 내지 않는 비방사 재결합을 유발합니다.

시간이 지나면서 결함이 서서히 안정화되면 전하 이동과 발광 효율이 뒤늦게 개선됩니다.

연구팀은 이런 시간 의존적 변화를 소자 제조 단계에서 미리 줄이는 전략을 세웠습니다. 이를 위해 MgCl₂ 기반 염화물 도핑을 적용한 ZnMgO 전자수송층을 개발했습니다.

MgCl₂는 ZnMgO 합성 과정에서 마그네슘 이온과 염화 이온을 동시에 공급합니다. 도입된 염화 이온은 산소 공공과 관련된 결함을 사전에 안정화해 전하 트랩 형성을 줄이는 역할을 합니다.

별도의 후처리를 추가하지 않고 합성 단계에서 전자수송층 결함을 낮출 수 있다는 점도 공정 측면의 특징입니다. 분석 결과 일반 ZnMgO는 저장 기간에 따라 산소 공공 관련 결함 특성이 달라졌습니다.

반면 염화물 도핑 ZnMgO는 제조 직후부터 낮은 결함 수준을 나타냈고 저장 이후에도 특성이 거의 변하지 않았습니다. 이는 전자수송층이 시간 경과 후 안정화되는 방식이 아니라 제조 과정에서 이미 안정화됐다는 것을 의미합니다.

실제 양자점 LED에 적용한 결과 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층을 사용한 소자의 제조 직후 외부양자효율은 일반 ZnMgO 기반 소자보다 약 1.8배 높았습니다. 염화물 도핑 소자는 제조 직후 최대 외부양자효율 14.70%를 기록했습니다.

일반 ZnMgO 전자수송층을 사용한 대조군의 제조 직후 외부양자효율은 8.13%였습니다. 일반 소자는 수일간 저장한 뒤 효율이 제조 직후 값의 약 1.93배로 증가해 최대치에 도달했습니다.

반대로 염화물 도핑 소자는 제작 직후부터 최대 효율을 냈고 15일간 저장한 뒤에도 효율 변화가 거의 나타나지 않았습니다. 성능 변화가 줄어들면 제조 직후 측정값을 기준으로 소자 품질을 판단할 수 있어 평가 과정의 신뢰성을 높일 수 있습니다.

또한 추가 보관 시간을 줄이고 제품별 성능 편차를 관리하기 쉬워져 공정 효율과 제조 수율 관리에도 도움이 될 것으로 전망됩니다. 이번 기술은 효율 향상뿐 아니라 제조 직후와 저장 후 성능이 달라지는 문제를 전자수송층 소재 단계에서 해결했다는 점에 의미가 있습니다.

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

연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지 ‘스몰’ 7월호에 게재됐습니다. 논문 제목은 ‘Positive Aging-Free Quantum Dot Light-Emitting Diodes Enabled by Single-Source Chloride-Doped ZnMgO Electron Transport Layers’입니다.

한국어로는 ‘단일 공급원 염화물 도핑 ZnMgO 전자수송층으로 구현한 포지티브 에이징 없는 양자점 발광다이오드’라는 의미입니다.

이번 연구는 한국연구재단의 글로컬 R&D 사업 지원을 받아 수행됐습니다. 노정균 교수가 교신저자를 맡았고 이재엽 부산대 전기공학과 박사과정생이 제1저자로 참여했습니다.

부산대는 이 기술이 양자점 LED의 성능 평가 시간을 단축하고 공정 보정 부담과 소자 간 편차를 줄여 차세대 디스플레이 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대하고 있습니다.