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퀀텀닷 디스플레이 기술의 과제

성능의 한계를 뛰어넘는 훌륭한 기술들도 항상 극복해야 하는 과제가 있습니다. 퀀텀닷 디스플레이도 예외는 아닙니다. QDCF와 QD-EL 중 어떤 기술을 검토하더라도 많은 극복 과제 들이 있습니다. 예를 들어 In-cell 편광판 개발, 퀀텀닷 혼합물질 제작 등 문제를 해결해야 합니다. 또한 양산성을 위해 퀀텀닷 제조 공정은 좀 더 안정적이어야 합니다.

온픽셀 방식의 QD-PL(QDPR)과 QD-EL 등과 같은 가장 최근에 연구되는 QD 방식의 문제점 및 이러한 이슈를 해결하기 위한 디스플레이 기술 발전에 대해 살펴보겠습니다.

퀀텀닷 색 필터(QDCF) 패널의 문제점

1. 낮은 양자 효율

QDCF 방식은 고농도의 퀀텀닷을 요구하지만, 방출된 양자의 재 흡수로 인해 효율이 낮아지는 문제가 발생합니다.  퀀텀닷은 흡수와 방출 사이의 겹친 영역으로 인해서 효율이 떨어집니다.

퀀텀닷의 기본 원칙에서 논의한 바와 같이, 높은 양자 효율을 갖는 가시적인 QD 반도체를 생산하는 원료를 찾기가 어렵습니다. CdSe(셀렌화 카드뮴)은 가장 효율적인 원료 중 하나이지만, 카드뮴은 독성으로 인해 사용이 제한적이기 때문에 제조사들은 카드뮴이 없으면서, 높은 광 발광 양자 수율을 가진 원료를 찾고 있습니다.

2. In-cell편광판의 필요성

퀀텀닷에 의해 편광이 제거된 빛은 상단의 편광판을 통과 하지 못하며, 스크린의 오작동이 발생 하게 합니다. 따라서 두 번째 편광판은 빛의 경로에서 퀀텀닷 층보다 앞에 있어야 합니다. 즉, 이는 QDCF를 적용하기 위해서 인셀 편광판을 개발할 필요가 있다는 것을 의미합니다.

QDCF 용이 아닌 편광판(일반 편광판)

QDCF 용 편광판(In-cell 편광판)
Source: Samsung Display Co.

3. 제조 공정

퀀텀닷 컬러 필터의 제조는 업계에 큰 도전 과제입니다. QDCF를 대량 생산하기 위해 퀀텀닷 강도 및 안정성을 크게 향상시켜왔지만, 퀀텀닷을 제조할 때 다양한 경화, 세척 및 베이킹 단계를 거치기 때문에 퀀텀닷은 공기와 물에서 안정화 될 필요가 있으며, 내열성이 있어야 합니다. 또한, 적색 및 녹색 서브 픽셀에서 청색광 누출 문제를 피하기 위해 퀀텀닷이 얇은 층에서 초 흡수성을 가지는 QDCF 디자인이 요구됩니다.

QDFC 제조 공정에는 몇 가지 가능성이 있습니다:

  • 퀀텀닷이 내장된 포토 레지스트 사용 – 감색 공정이므로 이 공정은 상당히 비쌉니다.
  • 잉크젯 프린팅 사용 – 신규로 개발해야 하는 공정이며, 제조업체는 크기 및 성능 조건을 충족시키는 기술 및 조건을 찾고 있으며, 점점 가까워지고 있습니다.

잉크젯 프린팅 공정
Source: Samsung Display Co.
  • 나노 임프린트 리소그래피 사용 – 이 공정은 유기고분자(임프린트 레지스트)의 기계적 변형을 통해 나노 크기의 패턴을 생성하고 열 또는 자외선으로 경화시킬 수 있습니다.

나노 임프린트 리소그래피 공정
Source: Samsung Display Co.

퀀텀닷 전자 발광(QD-EL) 패널의 문제점

1. 낮은 외부 양자 효율

QD-EL 디스플레이의 주요 문제는 낮은 외부 양자 효율(EQE)입니다. QD-PL 디스플레이와 마찬가지로, 양자 효율 문제는 전자 방출 퀀텀닷 적용과 관련이 있습니다.  외부 양자 수율이 높으며 카드뮴이 없는 새로운 청색 퀀텀닷 에미터(emitter)의 원료를 찾는 것은 어려운 일입니다. 감소된 EQE의 원인은 전하 주입 불균형과 FRET(비방사형 에너지 전송)을 유발하는 구조적 문제 때문입니다.

퀀텀닷 디자인이나 QD-EL 구조를 개선함으로써 EQE를 개선하기 위해 연구 중인 몇 가지 옵션이 있습니다:

  • 합금 계면을 형성하고 중간 셸을 삽입할 수 있는 코어 셸 계면 제어 시스템 구축
  • 안정성을 향상시키기 위해 더 두꺼운 셸을 가진 큰 크기의 퀀텀닷 형성
  • ZnO 대신에 ZnMgO를 사용하여 전하 균형 향상, 전도 대역 상승 및 여기자 손실 억제
  • 더 나은 정공수송을 위해 혼합형 또는 적층형 정공수송층 사용
  • 전자 수송층과 전자 방출층 사이에 층간 절연을 도입하여 전자 주입 제어, 누설 전류 감소 및 효율 향상
QD-EL 구조용 층간 절연
Source: Samsung Display Co.

QD 디스플레이의 미래를 위한 로드맵

보시다시피, 디스플레이에서 퀀텀닷 기술의 장래는 밝습니다. 첨단 QD 기술을 대량 생산에 적용하고, 실현 가능한 제조 공정을 만들며, 비용을 효율적으로 감소시키는 과제는 디스플레이 제조 업체에게 결코 쉬운 일이 아닙니다.

삼성 디스플레이는 현재 디스플레이를 세계화할 수 있는 퀀텀닷 기술의 선도적인 제조업체입니다. 다음은 QD 디스플레이 기술이 어떻게 진화하는지에 관한 설명입니다.

대체로 진화는 세 단계로 이루어졌습니다:

  1. 광원 향상 디스플레이 – 퀀텀닷 향상 필름(QDEF)을 적용
  2. 광원 방출 디스플레이 – 색 필터에서 퀀텀닷(QDCF)의 구현
  3. 전자 방출 디스플레이 – 퀀텀닷의 전자 방출 메커니즘(QD-EL)를 사용
퀀텀닷 기술 비교
Source: Samsung Display Co.

디스플레이에서 퀀텀닷 기술은 매우 빠르게 발전해가고 있습니다. 기존 제조 공정을 활용할 수 있어 QD 디스플레이의 규모가 빠르게 성장할 것이며, 이를 통해 초고가 시장에서 중상위 시장으로 확대될 것입니다.

첨단 기술 상용화는 따른 어려움이 크지만, 디스플레이 산업과 기업들은 해결해야 하는 문제가 무엇인지 정확하게 알고 있으며, 이러한 진보를 향해 도약해왔습니다.

QD-EL이 상용화되면, 상용화된 QD-EL은 TV 및 디지털 사이니지용 대형 디스플레이 시장에서 LCD와 OLED를 대체하게 될 것입니다.