퀀텀닷(Quantum Dot) 디스플레이란?

안녕하세요.

삼성디스플레이에서 LCD 디스플레이에 이제 투자를 하지 않고 OLED와 QLED에 투자를 많이 한다고 합니다.

그래서 OLED 디스플레이는 QLED보다 상대적으로 많이 익숙하기 때문에 QLED에 알아보고자 합니다.

 

QLED란?

• 퀀텀닷(QD)은 양자점이라고 하는데 지름이 수 나노미터 이하 크기의 초미세 반도체 나노입자를 말합니다.
• 양자점의 발광 과정은 광자의 들뜸으로 인해 발생하므로 광발광이라고도 부릅니다.
• 반도체에 밴드갭에 해당하는 에너지보다 큰 외부자극이 주어지면 가전자대에 있는 전자가 전도대로 올라가고 가전자대에는 Hole이 생기게 됩니다. 이는 들뜬상태라고 하며 전도대의 전자는 가전자대로 돌아가려 합니다. 이때 전도대의 전자와 가전자대의 Hole이 서로 재결합하게 되고 물질에 축적된 들뜬 상태의 잉여 에너지가 방출됩니다. 밴드갭은 가전자대의 가장 높은 부분과 전도대의 가장 낮은 부분 사이의 에너지 준위 차이를 말하고 이 밴드갭이 방출되는 빛의 파장을 결정합니다.

※ 밴드갭이란? : 에너지 밴드를 분리시키는 에너지 대역(전도대 및 가전자대를 분리시킴), 즉 전자가 존재할 수 없는 에너지 금지대입니다.

※ 전도대란? : 전자들이 거의 비어있고 일부 전자를 가질 수 있는 에너지 밴드, 자유전자가 자유롭게 이동. 즉, 전자들이 거의 비어있는 밴드들 중 최하위에 속해있는 밴드

※ 가전자대란? : 전자가 거의 채워져 있고, 일부 정공(Hole)을 가질 수 있는 에너지 밴드, 정공이 자유롭게 이동. 즉, 전자들이 거의 채워지는 밴드들 중 최상위에 속해있는 밴드

퀀텀닷의 구조

  1. Core : 양자 구속 효과에 의해 발광을 하는 부분

• 양자구속 효과

양자구속 효과는 퀀텀닷의 크기와 밴드갭 사의 관계를 설명하는 핵심특성입니다. 입자가 수십 나노미터 이하인 경우에서 전자는 공간 벽에 의해 불연속적인 에너지 상태를 형성하며, 공간의 크기가 작아질수록 전자의 에너지 상태가 높아지고 넓은 띠 에너지를 가지게 됩니다. 반대로 공간의 크기가 커질수록 전자의 에너지 상태가 낮아져 좁은 띠 에너지를 가집니다. 불연속적인 에너지 레벨에 의하여 정해진 파장만큼의 빛만 발광하기 때문에 특정 색이 아주 강하게 방출할 수 있습니다. 다른 색이 섞이지 않은 순수하게 빛의 삼원소를 만들 수 있습니다.

 

  2. Shell : Core를 덮는 껍질

 

• 첫 번째 역할 : 코어를 덮어줌으로써 코어 표면의 결점들을 제거하는 것입니다. 결점은 코어의 크기가 너무 작아 표면 결함이 생기고, 이로 인해 Trap이라는 원치 않는 위치에서 에너지가 열로 새어나가 발광 효율이 떨어지는 원인입니다. Shell로 코어를 덮어준다면 에너지가 열로 새어나가는 것을 막을 수 있고, 모든 에너지 방출이 Trap에서 일어나지 않고 원래 의도했던 곳으로 일어나게 하여 빛의 효율을 높일 수 있습니다.
• 두 번째 역할 : 광퇴색을 막아 안정성과 내구성을 증가시키는 것입니다. 초기의 퀀텀닷은 15분이 지나면 완전히 빛을 내지 못할 정도로 빛이나 습기 같은 외부 환경에 취약했습니다. 디스플레이에 사용되는 물질이면 온종일 빛을 받게 되는데, 빛에 노출되었을 때 15분 만에 수명을 다하게 된다면 사용을 할 수 없어 Shell이 이러한 부식을 막아주는 역할도 담당하고 있습니다.

 

  3. Ligand : 수많은 나노입자가 서로 뭉치지 않고 특정 거리를 유지할 수 있도록 해주는 역할, 퀀텀닷에 반드시 필요한 부분

 

• Shell과 같이 외부 환경으로부터 Core를 보호하고 효율을 높이는 역할
• 나노입자가 특정한 면을 따라 성장할 수 있도록 해주는 역할이나 극성을 맞춰주는 역할

 

QD 기술의 장점

• 엑시톤의 방사 재결합으로 인해 날카롭고 좁은 방출 최댓값을 가집니다.
• 순수한 적색 및 녹색 광선을 방출하며, 이는 패널 층에서 청색광과 함께 굴절되고 높은 피크 휘도는 영상의 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 차이를 크게 하여 HDR 디스플레이 지원을 가능하게 합니다.
• 낭비되는 빛이 매우 적어 순색을 만들어 내며, 생생한 색조와 효과적이고 강렬한 색상을 달성할 수 있습니다.
• 광방출을 정밀하게 조정 및 통제할 수 있어 더 순수하고 깨끗한 백색과 정확하고 생생한 색상을 만들어낼 수 있습니다.
• 높은 전력 효율을 통해 전력 소비를 절감할 수 있습니다.

 

 

이번 블로그 포스팅은 삼성에서 이제 LCD를 양산하는 것보다 OLED, QLED에 초점을 맞추어 이제 디스플레이를 집중적으로 개발을 한다는 기사를 보고 흥미가 생겨 포스팅을 하게 되었는데 이 포스팅은 이 퀀텀닷(QD)이 무엇인지에 대해 초점을 정리해보았습니다. 다음 포스팅은 과연 어떠한 방식으로 RGB 색을 내는지 공부하고 정리해보겠습니다.

 

 

 

회로설계와 반도체 관련해서 열심히 공부 중인 예지 블로그입니다.

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