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Peter Palomaki: 퀀텀닷 기술의 혁신

24 May 2018

향후 예상되는 기술적 장벽은 무엇입니까? 그리고 연구자와 회사가 이 문제를 해결하기 위해 어떤 노력을 할 수 있습니까?이 기사는 퀀텀닷 기술의 혁신을 탐구하고, 이를 통해 퀀텀닷 온칩(dots-on-chip) 시트와 자발광(EL) 시트를 사용할 수 있는지 살펴보며, 과학자들이 현 과제를 극복하여 어떻게 이러한 혁신을 구현할 수 있는지에 관해 Palomaki Consulting의 수장이자 수석 과학자이며 나노공학기술자인 Peter Palomaki 박사와 함께 하는 퀀텀닷 시리즈 중 두 번째 파트입니다.

파트 1은 여기를 참조하세요.

디스플레이에서 퀀텀닷 기술을 구현하기 위해 어떤 옵션이 있습니까?

디스플레이에서 퀀텀닷 기술을 구현하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.

퀀텀닷 필름(현 QLED)

퀀텀닷 필름은 미래에도 선호되는 TV형 폼펙터로 남을 것입니다. 이 방법은 구현하기 쉽고, 저렴하며, 많은 이점이 있어서 점점 더 발전된 기술이 되어가고 있습니다.

퀀텀닷 컬러 필터

퀀텀닷 컬러 필터는 차세대 기술이 될 가능성이 높습니다. 그러나 퀀텀닷 컬러 필터가 blue LED 백 라이트 유닛과 함께 사용될 것인지, OLED 백 라이트 유닛과 함께 사용될 것인지, 또는 두 가지 모두와 함께 사용될 것인지는 여전히 미지수 입니다.

컬러 필터를 사용하면 효율성과 시야각이 향상될 수 있습니다. 이는 잠재적으로 부품비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 TV 무게와 두께까지도 줄일 수 있습니다. 하지만 이 기술은 적어도 2년간 사용하기 어려울 가능성이 높습니다.

퀀텀닷 온칩

여기서 형광체 기술은 퀀텀닷으로 교체될 입니다. 기존의 LED는 blue LED 상단에 실리콘이 섞인 인광체가 있으며, 이 인광체가 백색광으로 전환됩니다. 형광 물질을 QD로 교체한다는 것은 블루라이트가 순수한 적색과 녹색으로 직접 전환된다는 것을 의미합니다.

LED 퀀텀닷 온칩은 고온, 고광속 및 산소로 인해 퀀텀닷이 노출되어 빠르게 분해되기 때문에 퀀텀닷 컬러 필터보다 훨씬 더 큰 기술적인 문제를 가지고 있습니다. 따라서 퀀텀닷은 이 환경에서 살아남을 수 있도록 특별히 설계되어야 합니다.

기술은 미드 파워 LED 조명을 상용화했지만, 현재 하이 파워 LED 패키지에서 견딜 수 있는 퀀텀닷 물질은 없습니다. 연구자들은 여전히 디스플레이에서 온칩의 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

컬러 필터에서 퀀텀닷 기술을 사용하는 것이 더 빨리 상용화되기 때문에 LED 위에 직접 퀀텀닷을 증착하는 온칩(on chip) 방식을 사용하지 않을 수도 있습니다. 컬러 필터가 성공적이라면, 기술이 스크린의 뒤쪽으로 돌아갈 때 몇 가지 이점이 사라집니다.

두 기술 모두 장점이 있으며, 적극적으로 연구되고 있기 때문에 향후 몇 년 안에 디스플레이 컨퍼런스에서 데모를 볼 수 있을 것입니다. 하지만 어느 기술이 완성되어 소비자 디스플레이에 구현될지는 아직 확실하지 않습니다.

자발광(EL) 퀀텀닷

자발광(EL) 퀀텀닷은 고효율, 높은 색 품질, 뛰어난 시야각 및 유연한 기판에 인쇄할 수 있는 기능성까지 위의 기술의 모든 장점을 포괄합니다.

자발광(EL) 퀀텀닷이 실현된다면, 디스플레이 기술의 새로운 기준은 자발광 퀀텀닷(EL)이 될 것입니다. 자체광(EL) 퀀텀닷의 상용화는 LED와 LCD의 출현만큼이나 영향력이 있습니다. 상용화에 성공한다면, LED는 사라지게 될 것입니다.

하지만 현재 자발광(EL) 퀀텀닷을 구현하는데 풀어야 할 많은 과제가 남아 있습니다. 폼팩터 안에 퀀텀닷은 전기로 자극을 받습니다. 자극을 받은 후 전자와 정공이 재결합하면, 양자의 크기와 구성 요소에 따라 다른 특정 색의 광자를 방출합니다.

이런 방식으로 퀀텀닷을 사용하면 그 자체가 LED이기 때문에 퀀텀닷을 다운 컨버터로 사용할 때보다 훨씬 더 쉽게 손상될 가능성이 높습니다. 더 이상 일반적인 의미에서의 LED는 없습니다. 이제는 퀀텀닷 LED를 이야기할 때입니다. 기능은 일반적인 LED와 같지만, 반도체로 모놀리식 반도체를 사용하는 대신에 퀀텀닷 레이어를 사용한다는 점에서 차이가 있습니다.

연구자들은 적색 EL 퀀텀닷이 꽤 수명이 길다는 것을 보여주고 있습니다. 적색EL이 안정성을 유지하는 시간은 10,000시간입니다. 하지만 녹색 EL 퀀텀닷은 대략 100시간 때 안정성이 떨어집니다. 청색 EL 퀀텀닷은 대략12시간 만에 안정성이 떨어집니다.  

이 방법은 물질의 안정성으로 인해서 아직 상용화될 준비가 되어 있지 않지만, 기술적 관점에서는 활용될 수 있습니다.

해결해야 할 문제들도 크지만, 그보다 잠재적으로 얻을 수 있는 이점이 더 클 것입니다. 이것은 이 분야에 많은 연구가 진행된 이유이기도 합니다. 만약 이 연구가 성공한다면, 디스플레이 산업에 큰 변화가 일어날 것입니다.

TV에 퀀텀닷을 구현하는 것과 디지털 사이니지에 이 기술을 사용하는 것을 어떻게 비교할 수 있습니까?

디지털 사이니지와 대형 디스플레이를 사용하는 업체들은 대부분 각 픽셀 또는 서브 픽셀을 위해 개별 LED를 사용합니다. 여기서 퀀텀닷을 구현하는 방법과 LCD 패널에 퀀텀닷을 결합하는 방법은 매우 다릅니다.

LED 디지털 사이니지의 경우 퀀텀닷은 LED 자체에 구현되어야 합니다. 하지만 우리가 앞서 논의한 바와 같이, LED는 현재 사용할 수 있는 폼팩터가 아닙니다. 언제나 그렇듯 LED 위에 직접 퀀텀닷을 배치할 때 고온과 고광속이라는 해결해야 하는 추가 과제가 있습니다.

대형 디스플레이의 LED에 퀀텀닷을 결합할 때 발생할 수 있는 문제는 중요합니다. 이 문제는 업계가 해결해야 할 과제입니다.

향후 예상되는 기술적 장벽은 무엇입니까? 그리고 연구자와 회사가 이 문제를 해결하기 위해 어떤 노력을 할 수 있습니까?

자발광(EL)

퀀텀닷은 크기가 작기 때문에 많은 표면적을 가지고 있습니다. 이로 인해 비효율성을 유발하는 저하, 결함 및 인위적인 결과(artefact)를 발생시킬 수 있습니다.

자발광의 경우 서브 픽셀 구성에서 패턴을 형성하는 것과 같이 제조상의 어려움도 있습니다. 우리는 리소그래피를 사용하여 어떻게 해야 하는지를 파악하고, 잉크젯 프린팅을 사용하여 앞으로의 작업을 수행할 수 있을 것입니다. 하지만 각 서브 픽셀을 개별적으로 구동하기 위해서는 복잡한 전자 부품을 사용해야 합니다.

OLED TV와 EL 퀀텀닷 기술이 같은 도전 과제를 많이 공유하고 있기 때문에 OLED TV의 발전은 EL 퀀텀닷 기술의 발전에 많은 도움을 줄 것입니다. 자발광(EL)은 이러한 장치가 발전함에 따라서 OLED 제품군에 의존하며, OLED 제품군으로부터 배울 수 있습니다. 하지만 현재 예측할 수 없는 혁신이 미래에는 일어날 것입니다.

안정성

퀀텀닷의 기존 문제 중 하나가 바로 그들의 안정성입니다. 안정성은 자발광(EL)이 아니라 모든 퀀텀닷에 영향을 미칩니다.

TV 내 퀀텀닷은 다소 높은 온도와 광속을 가지고 있을 뿐만 아니라 대기 중에 노출되는 열악한 환경에 놓여 있습니다. 퀀텀닷은 이러한 조건에서 빠르게 분해되고, TV 색상은 빠르게 변해갈 것입니다.

안정성은 상용화를 받아들일 수 없는 명백한 요인이었습니다. 하지만 기술은 지난 5년 사이에 눈에 띄게 향상되었습니다. TV 뒷면의 필름으로써 현 폼펙터에는 자재 품질 저하로 인한 문제가 거의 발생하지 않습니다.

하지만 산업이 발전하고 새로운 폼펙터가 개선됨에 따라서 문제가 재발하여 다른 해결책이 요구될 수도 있습니다. 이는 업계가 이미 조치를 취하고 있는 부분입니다. 현 세대를 위해 큰 문제는 해결되어왔지만, 미래의 퀀텀닷 디스플레이를 위해 문제를 다시 해결해야 할 필요가 있습니다.

퀀텀닷 필름의 두께

퀀텀닷은 스마트 폰에 활용될 수 있지만, 한계 요인은 TV에 사용되는 퀀텀닷 필름의 두께입니다.

퀀텀닷 필름은 종이보다는 얇지만, 스마트 폰에 사용하기에는 여전히 두껍습니다. 모바일 시장에 진입하기 위해서는 다른 폼팩터가 필요합니다.

하지만 퀀텀닷 기술이 발전함에 따라 이 필름이 모바일 시장으로 진입할 수 있는 발판이 마련될 수 있으며, 퀀텀닷과 OLED를 결합할 수 있게 될 수도 있습니다. 아직 개발되지 않은 새로운 구현 방법은 디스플레이 전반에 퀀텀닷 기술을 향상시키고 모바일 시장으로 진입할 때 발생할 수 있는 문제들을 해결해 줄 것입니다.

독성

기존의 퀀텀닷 재료에는 독성 원소로 알려진 카드뮴이 포함되어 있었습니다.

현재 독성을 줄이기 위해 여러 종류의 퀀텀닷 재료를 제작하고 있습니다. 삼성 QLED TV는 모두 인화인듐(InP)를 사용하고 있습니다. 인화인듐(InP)는 카드뮴을 포함하지 않으며, 독성물질을 포함 하고 있지 않아 더 많은 소비자가 수용할 수 있습니다.

삼성의 퀀텀닷은 독성 원소를 함유하지 않지만, 카드뮴 기반의 퀀텀닷이 가지는 이점을 제공할 수 있는 새로운 물질이 있는지 계속해서 연구하고 있습니다.

매우 좁은 파장의 빛을 방출하여 순수한 색을 제공하는, 납을 제거한 페로브스카이트와 같이 초기 연구 단계나 수용 단계에 있는 다양한 옵션이 있습니다. 조사 중인 다른 재료는 현재 전자 산업에 널리 사용되고 있지만, 광학적 특성이 약한 실리콘과, blue LED를 제조하기 위해 반도체 업계에서 사용되지만, 아직 퀀텀닷을 제조하기 위해 사용된 적이 없는 인듐갈륨나이트라이드(InGaN)가 있습니다.

이것은 퀀텀닷에 대한 세 파트 중 두 번째 파트입니다. 뉴스레터에 가입하여 “파트3: MicroLED 및 퀀텀닷”에 대해 학습하세요.

퀀텀닷 기술과 나노 기술에 대한 최신 정보는 Peter Palomaki 의 블로그를 방문하거나 뉴스레터에 가입하면 보실 수 있습니다.