성공하는 IP-R&D전략 - 양자점 발광다이오드
성공하는 IP-R&D 전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
서론
일반적으로 LED(Light Emitting Diode)는 백열전구와 같은 다른 발광소자들이 폭넓은 발광스펙트럼을 갖는 것과는 달리 거의 단색광에 가까운 광을 발광한다는 특징이 있다.
최근에는 여러 종류의 형광체를 조합하여 원하는 색의 광을 나타내거나 또는 다수의 색구현이 가능한 LED가 개발되었다.
특히 백색 LED를 제조하는 방식에는 여러 색상의 LED 칩을 조합하여 백색을 나타내게 하거나 또는 특정색의 광을 발광하는 LED 칩과 특정색의 형광을 발광하는 형광체를 조합하는데, 현재의 백색 LED는 일반적으로 후자의 방법이 상용화되어 있다.
또한 여러 종류의 형광체를 조합하면 원하는 색의 광을 얻을 수 있다. 최근에는 이러한 광원소재로 양자점(Quantum Dot)을 이용하고자 하는 연구가 많이 이루어지고 있다.
양자점은 나노미터(nm=10억분의 1m) 크기의 결정구조를 갖는 물질로, 어떤 물질이 에너지를 받으면 내부구조가 불안정해지고 안정한 상태로 돌아가기 위해 에너지를 방출하게 되는데, 이를 통해서 자체발광이 일어나는 양자효과를 나타내는 물질이며, 양자점의 크기(직경)가 작아질수록 짧은 파장의 빛을 발광하고 양자점의 크기가 커질수록 긴 파장의 빛을 발광한다.01
양자점 LED란 이러한 양자효과를 이용하는 LED를 말하며, 기존의 OLED는 다른 색깔을 나타내려면 유기물 종류를 바꿔야 하는데, 양자점 LED는 반도체 크기만 바꾸면 되니 훨씬 간단한 구조로 발광체를 만들 수 있다.
양자점의 특성 및 구조
반도체 양자점은 동일한 벌크물질의 성질과는 다른 광학적 특성을 보이며 크기 및 조성에 따라 특성제어가 가능하다.
그림 1(a) 는 양자점의 크기 및 조성에 따라 발현하는 빛의 변화를 나타낸 것으로 크기가 작아지면 밴드갭이 넓어지면서 보라색(Violet)이 나타나고 크기가 커질수록 밴드갭이 벌크상태에 가까워지면서 붉은색(Red)을 띠게 된다.
이러한 현상은 반도체 양자점에서 일반적으로 찾아 볼 수 있으며, CdSe-ZnS 및 PbS-CdS Core-Shell 콜로이달 양자점의 발현하는 스펙트럼에 대한 그래프를 그림 1(b) 에서 보여주고 있다.
양자점은 벌크에 비해 표면에 위치한 원자의 분포가 매우 크기 때문에 결정결함이 많고 또한 에너지 상태가 높기 때문에 쉽게 전자를 잃는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 다른 물질로 양자점의 표면을 둘러싸는 코어/쉘(Core/Shell) 이종구조(Heterostructure) 형태를 많이 이용하게 된다.02
이 때 쉘을 형성하는 물질의 밴드갭이 코어물질의 밴드갭보다 커서 이를 감싸안은 형태가 되면 I-형( 그림 2(a) 참조) 구조가 되고 두 물질의 가전자대(Valence Band)와 전도대(Conduction Band)가 서로 엇갈린 형태를 띠면 II-형 이중구조( 그림 2(b) 참조)가 된다.
I-형 이종구조의 경우 코어에 발생되는 전자-정공 쌍이 외부로 손실되지 않아 양자점의 발광효율을 증대시키는 목적으로 사용된다.
반면에 II-형 양자점은 전자와 정공이 코어와 쉘에 서로 공간적으로 부분 분리되어 태양전지와 같은 광전자 소자의 소재로서 사용이 가능하다.
양자점 시장의 전망 및 규모
양자점이란 물질 크기가 몇 나노미터 수준으로 줄어들면 전기적·광학적 성질이 두드러지게 변화하는 반도체 나노입자이다.
입자크기에 따라 다른 길이의 파장이 나와 다양한 색을 낼 수 있으며, 기존 발광체와 비교해도 색순도와 광안정성이 높아 차세대 발광소자로 각광받고 있으며, 양자점을 사용한 LCD 역시 LED를 광원으로 하는 LCD보다 에너지 효율이 높을 뿐만 아니라 색재현성이 뛰어나다.
양자점은 OLED처럼 발광체 자체에서 색을 조절할 수도 있지만, 현재 패널업체들이 주로 개발 중인 기술은 필름형태의 백색광원으로 양자점을 활용하는 방식이다. LCD의 광원으로 사용되는 LED를 필름형태의 양자점으로 대체하는 원리이다.
필름형태의 양자점은 LED와 달리 면광원이어서 백라이트유닛을 얇고 구조도 간단하게 만들 수 있으며, 게다가 백색의 면광원으로 양자점을 만드는 작업은 현실적으로 가장 빨리 출시할 수 있는 기술이어서 주목받고 있다.
패널업계는 LED가 냉음극형광램프(CCFL) LCD를 대체할 당시 각광받았던 것처럼 앞으로는 양자점이 프리미엄 시장에서 LED를 대체할 수 있을 것으로 기대하고 있으며, 또 일반 LED LCD 패널은 중국이 빠른 속도로 추격하고 있어, 양자점으로 기술주도권을 쥐게 되면 중국과 기술격차를 한참 벌려놓을 수 있을 것으로 예상된다.
UHD TV 시장이 예상보다 빨리 개화하고 있는 만큼 프리미엄급 양자점 LCD도 시장에 일찍 안착할 것이라는 전망이 나오며, 양자점은 필름형태로 장착될 예정이어서 향후 광학필름 업체들의 시장진출도 예상된다.
패널업계 관계자는 “양자점 LCD를 위해 전자업체들이 소리없는 전쟁을 벌이고 있다.”면서, “내년에는 샘플수준이라도 디스플레이 제품들이 출시되면서 시장선점 경쟁이 더욱 치열해질 것.”으로 내다본다.
Quantum Dot 및 Quantum Dot Display(QLED) 시장은 2012년에 이미 150Million달러에 달했으며, 2019년에는 6.4Billion달러에 이를 것으로 예측했으며, 또다른 보고서인 < Global Quantum Dots Market 2012~2016 >에 따르면, Quantum Dots 시장은 2012년에서 2016년까지 기간 동안 CAGR 54.29%로 성장할 것으로 예측할 정도로 큰 폭의 시장확대가 예상된다.03
현재 글로벌 양자점기술 시장에선 미국이 선두를 유지하고 있고, 그 뒤를 유럽과 APAC이 따르고 있다.
그러나 APAC은 가장 빠른 성장속도를 보이고 있으며 양자점시장, 특히 광전소자 영역에서 한국, 일본, 중국을 중심으로 선두자리에 오를 것으로 예측하기도 한다.
특허동향
그림 3 은 양자점 LED 분야의 각국별 출원동향을 1993년부터 4년을 단위로 하여 살펴본 것이다.
양자점 LED는 세계각국에서 차세대 성장 산업으로 주목받고 있으며, 그 결과 2000년대 중반 이후에 출원건수가 크게 증가한 바 있다.
중국의 경우 2004년까지는 양자점 LED 분야의 출원이 전무하였으나, 2005년 이후 양자점 LED 분야의 출원이 크게 증가함을 알 수 있다.
또한, 일본과 한국에서도 2005년 이후 출원이 크게 증가하였다. 그러나 일본과 미국의 경우 2000년대 후반에 특허출원 건수가 최고조에 이르렀으며 하락하는 추세라고 볼 수 있다.
다만, 출원일이 1년 6개월 미만의 미공개 특허를 고려하면 하락추세라고 단언할 수는 없다. 표 1 은 양자점 LED 분야의 주요 출원인을 출원건수를 기준으로 선정한 것이다.
양자점 LED 분야에서는 전반적으로 한국출원인들이 상위에 랭크되었다. SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD가 18건의 특허를 출원하여 1위를 기록하는 등 서울옵토디바이스, ETRI, TOP ENGINEERING CO., LTD 등이 많은 출원건수를 기록하였다.
미국국적의 출원인인 CREE INC, Massachusetts Institute of Technology 등이 14건, 7건의 특허를 출원하여 2위, 4위를 차지하였다.
양자점 LED 분야에서는 한국국적의 출원인들이 강세를 보였으며, 이는 2000년대 중반에 한국의 출원인들이 LED사업을 강하게 추진하였던 것이 원인인 것으로 생각된다.
결론
지난 수년간 양자점이 갖는 우수한 발광특성을 바탕으로 고연색 특성의 조명 및 고색재현 특성의 디스플레이 백라이트용 백색 LED소자를 구현하기 위해 다양한 연구가 진행되었다.
하지만, 지금까지의 양자점은 높은 발광효율의 특성을 보임에도 상용화되고 있는 황색형광체 기반 백색 LED의 소자 광효율과 비교하였을 때 아직 열등한 수준을 보이는 단점이 있다.
따라서 양자점 LED소자 응용을 위해서는, 첫째, Cd, Hg, Pb과 같은 중금속이 포함되지 않은 비독성 친환경 양자점 개발 및 발광특성 연구-환경유해성 물질인 Cd 등 함유 양자점을 대체할 수 있는 무독성의 III-Ⅴ 및 I-III-ⅤI족 계열의 InP와 CuInS2 반도체 양자점에 대한 연구가 최근 활발히 이루어지면서 고양자효율 특성의 양자점을 합성할 수 있었으며, CuInS2 양자점을 청색 LED에 적용시킴으로써 단일 양자점 기반의 백색 LED가 제작되기도 하였다.
둘째, 양자점의 광학특성 연구 및 고효율 및 고순도의 발광특성
을 가지는 양자점 구조체 개발-광효율을 개선하기 위해 코어/멀티쉘의 구조를 갖는 양자점을 UV 어닐링 등의 과정을 통해 그 발광효율을 향상시킴으로써 양자점 LED의 광효율을 개선시킬 수 있는 연구들이 진행되었다.
셋째, 양자점 표면 성질을 연구하여 양자점-소자 매트릭스(유기고분자, 실리카) 복합체 개발-광원소자의 색변환 소재로서 양자점이 갖는 고양자효율 특성을 최대한 활용하기 위해 레진과 같은 기지내에서의 양자점간의 응집현상 및 재흡수에 의한 LED의 광특성이 저하되는 것을 최소화할 필요가 있으며, 이를 위해 양자점의 표면 개질 및 양자점 복합체 제조기술을 통해 양자점 기반의 백색 LED가 구현될 수 있을 것으로 예상한다.
넷째, 나노 패터닝 기술과 같은 연구개발이 필요하다.
기존의 황색 형광체 기반 백색 LED의 낮은 연색지수의 한계를 극복하고 발광효율을 향상시킴으로써 양자점 LED의 광효율을 개선시킬 수 있는 위와 같은 연구들이 진행된다면 광효율 및 안정성이 우수한 조명 및 백라이트용 양자점 기반의 백색 LED가 구현될 수 있을 것으로 예상된다.
01 대한전자공학회논문지, 제37권, SD편, 제8호, pp. 42-47, 2000
02 J. Phys. Chem., 100, 1996.
03 한국기계연구원, 다중껍질구조의 양자점 생산 기술