서울대 공대(학장 차국헌)는 서울대-성균관대 공동연구팀(1저자: 장준혁 박사과정, 공동교신저자: 서울대 차국헌 교수, 성균관대 배완기 교수)이 차세대 발광소자인 양자점 발광소자의 열화 원인을 규명했다고 25일 밝혔다.
 
양자점 발광소자는 양자점을 발광층으로 이용하는 발광소자다. 용액공정이 가능하고 발광 효율이 높으며 색순도가 좋다는 장점을 지니고 있어 OLED 이후 차세대 발광소자로 주목받고 있다.
 
그러나 양자점 발광소자의 실제 응용을 위해서는 수명 문제를 해결해야 한다. 현재까지 많은 연구들은 양자점 발광소자의 광효율을 향상시키는 데 집중되어 있었고, 양자점 발광소자의 구동 안정성에 대한 연구는 거의 전무했다. 이는 양자점 발광소자의 열화 원인이 복잡하게 얽혀 여러 가지 이유에 의해 나타날 수 있기 때문이다.
 
이에 본 연구팀은 양자점 발광소자의 열화 원인을 분광학적인 분석방법과 전기적 구동방법을 비교 분석해 원인을 구분했다. 먼저 양자점 발광소자를 구동해 전기적인 특성을 분석하고, 분광학 장비를 통해 양자점 발광층을 따로 분석하는 방식으로 열화원인을 분석했다.
 
그 결과, 연구팀은 양자점 발광소자가 크게 두 가지 원인으로 열화된다는 것을 최초로 발견했다. 초기 단계에서는 양자점 발광소자와 양자점 발광층의 효율이 비슷하게 감소한다. 이는 양자점 발광층에 추가적인 전자가 누적되어 발광효율이 감소하기 때문이다.
 
초기 열화는 빠르게 일어나며, 역전압을 걸어 추가적인 전자를 제거했을 때 양자점 발광층의 발광효율이 회복된다. 그러나 소자 열화 후기단계에서는 양자점 발광소자의 효율은 감소하는 반면, 양자점 발광층에서는 효율 감소가 거의 관측되지 않았다.
 
즉, 양자점이 아닌 다른 층에서의 열화가 양자점 발광소자의 열화원인이므로 유기물 층인 정공수송 층에서의 구동 전후 변화를 관찰하여 최종 열화원인을 규명하였다. 소자의 후기 열화는 천천히 일어나며, 역전압을 걸었을 시 회복되지 않았다. 이 두 가지 열화원인은 그 속도나 가역성이 다르지만 한 가지 이유에 기인한다. 바로 추가적인 전자의 주입이 소자 열화의 원인이 된다는 것이다.
 
배완기 교수는 “전자와 정공의 주입균형이 양자점 발광소자의 효율뿐만 아니라 소자 구동 안정성에도 큰 영향을 미치는 것을 확인했다”며, “전자와 정공의 주입균형 향상이 소자의 효율을 증가시키는 데 매우 중요해질 것”이라고 말했다.
 
본 연구는 한국연구재단-이공학 개인기초연구지원사업, 한국연구재단-나노소재원천기술개발사업과 산업통상자원부-핵심소재원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 국제적 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 10월 10일자에 게재되었다.