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퀀텀닷: 고색영역을 위한 베스트 솔루션

디스플레이 기술의 발전과 더불어, 업계는 실생활 같은 생생한 경험과 채도가 높은 색상을 필요로 하게 되었습니다.  이러한 추세에 따라 색 공간의 표준도 진보했습니다. 디스플레이 제조업체는 인간의 눈으로 인식하는 색 공간의 76% 구현하는 BT2020 표준 만족을 위해 기술 개발을 하고 있으며, 이는 NTSC, sRGB, Adobe RGB, DCI-P3 색 공간을 모두 포함한 것입니다.

디스플레이 시장에서 퀀텀닷 기술은 2007년부터 적용되기 시작하였습니다. 오늘날에도 퀀텀닷 기술은 색상 조정 및 향상된 시스템 효율을 통해  가장 넓은 색 영역을 제공하므로, BT2020 표준을 만족 할 수 있는 최고의 기술입니다.

이 백서에서는 퀀텀닷 기술의 원리와 특장점, PID 시장에의 응용 방향 등을 살펴보고자 합니다.

퀀텀닷이란 무엇인가?

QD(Quantum Dots) 혹은 형광 반도체 나노크리스탈이라고 불리는 퀀텀닷은 15-150개 원자 크기인 직경 2-10nm의 작은 단일 결정입니다. QD의 크기 및 형태는 합성 과정의 시간, 온도, 리간드 분자에 좌우됩니다. 즉 반응 시간과 조건에 따라 쉽고 정밀하게 통제됩니다.

퀀텀닷은 한 가지의 색상만을 방출하며, 이는 크기에 따라 결정됩니다. 큰 QD는 적색이며 대개 직경 7nm(원자 150개 크기)이고, 녹색 입자는 직경 3nm(원자 30개 크기)입니다. 가장 작은 청색 QD의 코어 크기는 직경이 약 2nm(원자 15개 크기)입니다. 청색 입자는 크기가 아주 작기 때문에 매우 취약하며, 작업이 어렵습니다. 그래서, 패널 기술에서는 적색 및 녹색 QD가 가장 널리 이용됩니다.

퀀텀닷의 고유한 양자점 특성으로 인해 30-54nm의 반치폭(FWHM: Full Width at Half Maximum) [1]을 갖는 스펙트럼 상의 좁은 원색을 만들어 낼 수 있으므로, 가장 넓은 색 영역을 제공하는 것이 가능합니다.

퀀텀닷 기술

퀀텀닷은 코어, 쉘, 안정기, 리피드로 구성됩니다.

QD의 유형 - 코어 재질에 따른 분류

디스플레이 업계에서 QD코어의 합성에는 주로 셀렌화 카드뮴(CdSe), 인화 인듐(InP), 규소(Si)를 이용합니다. 카드뮴 기반 QD는 업계에서 처음 적용되기 시작하였고, DCI-P3 색 영역 프로토콜의 100%를 달성했습니다.  카드뮴을 이용하면 90% 이상인 최고의 내부 양자 효율이 가능합니다. 이 재료의 문제는 대량 사용 시 독성이 있으며, RoHS에서 사용이 규제되고 있다는 것입니다.

인듐 기반의 QD는 DCI-P3 색 공간의 90-96%를 포함할 수 있었습니다. 예를 들어, 삼성 디스플레이의 SUHD 패널은 현재 DCI-P3의 96%를 달성할 수 있습니다. 인듐 QD는 80%의 내부 양자 효율을 달성할 수 있으며, 새 기술을 적용하면 90% 효율까지 얻을 수 있습니다. 인듐 퀀텀닷을 이용한 제품은 RoHS를 준수하지만, 카드뮴 QD에 비해 매우 고가 입니다. 인듐 QD 기술은 지난 10년 간 크게 진보하여, 40nm FWHM이하인 녹색 QD, 54nm FWHM 이하인 적색 QD를 만들 수 있게 되어 DCI-P3 색 공간의 96%를 포함하게 되었습니다.

규소 QD는 안전하지만 효율이 매우 낮아 30-50% 수준의 내부 양자 효율만을 얻을 수 있습니다. 색 영역 측면에서도 다른 QD와는 경쟁할 수 없습니다.

입자 쉘

퀀텀닷 코어는  쉽게 분해되고 취약하므로, 현재는QD쉘 기술이 가장 중요한 요소입니다.  이 쉘은 구조를 안정화하기 위해 적용됩니다. 카드듐QD에서 가장 널리 쓰이는QD쉘은 황화 아연(ZnS)으로 만듭니다. 인듐 퀀텀닷에서는 중간 쉘이 필요하며, 주로 셀렌화 아연(ZnSe)으로 만듭니다.

디스플레이에서 양자점은 어떻게 작동합니까?

퀀텀닷 기술은 LED 백라이트를 가진 LCD의 차세대  기술로 아주 성공적으로 적용되고 있습니다. 이 디스플레이들은 기존 LCD와 유사한 원리 및 메카니즘을 활용하고 있습니다. 전형적인 LED LCD에서는 LED에서 나오는 백색 광선이 편광판을 통해 분산되고 보내집니다. 이 빛은 액정층을 만나 색 필터를 거치면서 차단되거나 통과하고, 다시 또 다른 편광 필터를 거치면서 각 픽셀의 색상 값을 만들어 냅니다.

퀀텀닷 디스플레이도 유사한 픽셀 색상 생성 과정을 거칩니다.지닙니다.. 하지만QD패널은 백색이 아닌 청색 LED 광선을 이용합니다. 디스플레이의 표층에는 RGB 색 필터 대신 적색 및 녹색QD와 여백 픽셀이 있습니다. 청색 LED 광선이 여백 픽셀을 통과하면서 청색 계통의 색을 만들어 내고, 적색 및 녹색QD가 적색 및 녹색을 만들어 냅니다. 

디스플레이 패널 내에 퀀텀닷을 배열하는 방식은 다음의 네 가지가 있습니다:

  1. QD Dot(인칩 방식)

    처음으로 QD기술을 이용한 방법은 칩 안에 퀀텀닷을 내장하는 것이었습니다. 이 기술은 대량 생산에는 이르지 못했습니다. LED에 매우 가깝게 위치한 퀀텀닷이 200ºC 이상에 달하는 아주 높은 온도에 노출되었기 때문입니다. 칩 내 방식이 가장 경제적이며 효율적이지만, 이러한 열의 영향이 퀀텀닷의 성능에 악영향을 준 것입니다. 260ºC 이상에도 견디는 내열QD 기술을 개발함으로써, 조명 업계를 석권하려는 회사도 있습니다.

  2. Rail QD(온칩 방식)

    이 기술은 LED 옆의 “양자 레일”이라는 관에 QD를 배열합니다. 소니는 2013년 QDTV 출시 때 이 기술을 적용하였습니다. 이 제품은 그 다음 해에 회수되었는데, 취약한 내열성 때문일 가능성이 큽니다. 이 위치에서도, QD는 약 100ºC에 달하는 LED 패키징에 너무 가깝습니다.

  3. 퀀텀닷 필름(QDEF, 온패널 방식)

    현재 판매되는 대부분의QD TV는 도광판 위에 QD 시트 혹은 필름을 배치합니다. 유리 패널 뒤이지만 색 필터 앞에 QD 필름을 배치하면, LED 패키지에 근접하지 않게 되어 QD를 LED의 열에서 보호할 수 있습니다. QDEF 패널에서백색을 내기 위해서는 청색 LED와 적색 및 녹색 QD가 필요합니다. 이 경우 QD가 인광체 역할을 하여 청색광을 적색 및 녹색으로 변형시킵니다. 삼성전자는 SUHD QDTV에 3년 이상 상용화한 시트 기술과 인듐 QD를 이용하고 있습니다.

  4. 퀀텀닷 LCD(인패널 방식)

    많은 수의 제조업체들이 현재 새로운 QD 기반 패널 기술로 개발 중인 것은 QD가 디스플레이 유리 안의 LC 층 표면에 내장되는 것입니다.  이 기술이 적용되면, 기존 LCD보다 50% 이상 높은 효율을 달성할 수 있을 것 입니다. 이 방식은 업계에서 가장 넓은 시야각을 제공할 수 있을 것이며, DCI-P3 색영역을 100% 포함하게 될 것입니다.

퀀텀닷 기술의 장점

퀀텀닷 기술은 독특한 구조의 특성으로 인한 장점을 많이 갖고 있습니다.

높은 피크 휘도

퀀텀닷 광선은 엑시톤의 방사 재결합으로 인해 날카롭고 좁은 방출 최대값을 갖습니다. QD는 순수한 적색 및 녹색 광선을 방출하며, 이는 패널 층에서 청색광과 함께 굴절됩니다. 높은 피크 휘도는 영상의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 차이를 크게 하여, HDR(High Dynamic Range) 디스플레이의 지원을 가능하게 합니다.

색 재현 및 가장 넓은 색 영역 지원

퀀텀닷 기술은 색 영역을 40-50% 증가시키고, 향후 BT2020 색 공간 달성 및 DCI-P3 100% 포함 할 수 있는 유일한 기술입니다. QD는 낭비되는 빛이 매우 적어, 순색을 만들어 내며, 생생한 색조와 보다 효과적이고 강렬한 색상을 달성할 수 있습니다.

저소비 전력

높은 에너지의 청색광에서 시작하고 에너지 상태를 낮추도록 굴절시켜 녹색 및 적색을 만들어 내므로, 퀀텀닷 디스플레이는 훨씬 높은 전력 효율를 통해 전력 소비를 절감할 수 있습니다.

향상된 색 정확도

퀀텀닷을 이용하면 광선 방출을 정밀하게 조정하고 통제할 수 있어, 더 순수하고 깨끗한 백색과 정확하고 생생한 색상을 만들어 낼 수 있습니다.

기존 공급망 활용 가능

QD 기술은 기존 LCD 제조 공정의 큰 개선을 필요로 하지 않기 때문에, 공급망 및 그에 따른 원가에 영향을 끼치지 않습니다. 이 기술은 OLED보다 비용 측면에서 더욱  효과적입니다.

기술적 과제

QD가 주류가 되기 위해서는 아직 미세 조정이 필요한 과제들이 몇 가지 남아 있습니다.

퀀텀닷의 취약성

퀀텀닷 입자는 물, 열, 습기의 영향을 받으며, 이런 요소들로부터 철저하게 격리되어야 합니다. 현재는 QD를 습기로 인해 분해되지 않도록 보호하기 위하여 격리층으로 차단성 필름을 이용하고 있습니다. 나아가, QD는 고온에 매우 민감하며, 양자 효율을 유지하기 위해서는 LED 광선 같은 열원에서 멀리 배치해야 합니다. 100ºC 이상의 온도에서 입자의 양자 효율은 50% 미만으로 떨어집니다. 그러므로 QD를 이용한 기기는 아주 더운 기상 조건에서는 운영할 수 없습니다. 패널 및 패키징 내에서 LED와 QD의 배치 거리는 QD 디스플레이의 성능에 중요한 영향을 끼칩니다.

카드뮴 솔루션에 대한 규제 장벽

카드뮴 기반 QD가 우수한 성능 및 넓은 색 영역을 갖고 있음에도, 이 재료는 독성을 함유하고 있어, 현재 RoHS에서 승인받지 못하고 있습니다. 세계의 규제 기관들은 카드뮴 솔루션을 주시하고 있어, 업계는 인듐 기반 기술로 유사한 성능 및 효율을 내기 위해 노력하고 있습니다.

높은 제조원가

QD 기술은 기존의 LCD 제조에 비해 제조 비용이 높습니다.. 하지만, QD는 OLED 디스플레이보다는 여전히 싸며, 대량 생산이 이뤄진다면 퀀텀닷 디스플레이 생산도 상대적으로 저렴해지기에 가격 측면에서 충분한 효율을 달성할 것 입니다.

결론

카드뮴이 없는 필름 기반의 퀀텀닷 시스템이 지난 3년 동안 디스플레이의 지평을 흔들어 왔습니다. 현재 QD 기술은 이미 대형 OLED를 능가하고 있으며, 향후 더 나은 결과와 효율을 낼 것으로 예상됩니다. 이러한 진보로 인해 인간의 눈으로 보는 색 스펙트럼과 가장 근접한 색 영역을 만들어 낼 수 있으며, 실생활처럼 생생한 시각 경험이라는 선보이게 될 것 입니다.

고성능의 차세대 디스플레이를 기대하세요!

퀀텀닷 기술에 대해 더 알고 싶으십니까?

QD에 대한 보다 자세한 설명과 QD 연구의 진행방향에 대해 알수 있는 다수의 동영상을 준비했습니다.

[1] 반치폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 기능이 최대값의 반에 달하는 스펙트럼 곡선 상의 점 간의 차이로 계산한 스펙트럼 폭을 기술하는 방법입니다.