청색 QLED 개발을 이끈 삼성전자 종합기술원의 김광희(왼쪽부터)·김태형 전문연구원, 장은주 펠로우, 김성우·최선명 연구원이 포즈를 취하고 있다. /사진제공=삼성전자“적·녹·청 가운데 효율을 끌어올리기 가장 어려운 청색 발광소자를 개발하는 데 성공한 것은 기존 틀을 깨는 발상과 차곡차곡 쌓은 연구개발 실적 덕분입니다. 앞으로 연구 성과를 바탕으로 청색 퀀텀닷발광다이오드(QLED) 상용화 속도를 높이는 데 전력을 쏟겠습니다.”
업계 최고 수준의 친환경 청색 QLED 개발을 이끈 삼성전자 종합기술원 연구진은 20일 “QLED 삼원색 중 가장 구현이 난해한 청색 성능까지 확보하며 퀀텀닷(QD) 분야의 기술력을 다시 한 번 인정받았다”고 말했다. 이날 삼성전자 뉴스룸 인터뷰에서 김태형 종합기술원 전문연구원, 김광희 전문연구원, 장은주 펠로우 등 개발 주역들은 셀레늄화아연(ZnSe) 기반 소재를 활용해 최고 효율을 내면서도 안정적으로 작동하는 청색 QLED의 험난했던 연구 과정을 소개했다.
김태형 전문연구원은 “처음 청색 퀀텀닷을 연구할 때는 적색과 녹색 퀀텀닷에 사용되는 인화인듐(InP) 물질을 사용했는데 청색 발광도 어렵고 특성이 좋지 않았다”고 털어놓았다. 퀀텀닷은 머리카락을 수만분의1로 나눈 만큼 작은 나노미터(㎚·10억분의1미터) 크기의 초미세 반도체 입자로 빛을 받으면 입자 크기와 조성에 따라 각기 다른 컬러를 만들어낸다. 그중 청색은 에너지 밴드갭(가전자대의 가장 높은 부분과 전도대의 가장 낮은 부분 사이의 에너지 준위 차이)이 가장 큰 퀀텀닷으로 만들어져 외부의 산소와 빛에 가장 불안정하고 효율적인 구조를 설계하기 어렵다. 이런 어려움으로 업계에서는 자발광 QLED에 맞는 최적의 청색 소재조차 찾지 못한 상태였다.
이에 연구진은 효율성과 안정성을 확보할 수 있는 셀레늄화아연(ZnSe) 기반 물질로 바꿔 청색 개발에 집중했다. 지난해 11월 자발광 QLED 적색 소재 확보 경험이 큰 도움이 됐다. 삼성전자는 지난해 11월 21.4%의 비교적 높은 효율을 갖는 QLED를 개발해 네이처에 게재했다. 휘도(면적당 밝기)와 관련된 시간인 ‘구동시간’도 100만시간으로 늘어나 QLED 디스플레이의 상용화에 한발 다가섰다는 평가를 받았지만 이는 청색을 제외한 성과였다.
김태형 연구원은 “기존 인화인듐(InP) 합성과 적색 자발광 QLED를 개발했던 경험 덕분에 비교적 짧은 시간에 새로운 물질을 활용해 우수한 특성을 얻을 수 있었던 것 같다”고 설명했다.
청색 QLED 개발로 종합기술원은 발광 효율을 이론효율 수준인 20.2%까지 끌어올렸다. 이번 연구 결과는 지난 14일 세계적 학술지인 ‘네이처’에도 게재됐다.
장 펠로우는 “자발광 QLED에 적용 가능한 청색 소재를 발굴하고 소자 수준에서 업계 최고 수준의 성능을 입증한 것이 이번 연구 성과의 큰 의미”라고 말했다. 장 펠로우는 삼성전자 TV의 대표 격인 ‘퀀텀닷TV’를 상용화한 인물이다. 2002년부터 13년간 끈질기게 연구를 진행하며 결국 2015년 제품 상용화의 성공 스토리를 써냈다. 그는 “이번 연구 성과를 통해 퀀텀닷 기술을 활용한 차세대 디스플레이 개발은 한층 활기를 띨 것”이라고 덧붙였다.
