퀀텀닷 완전 정복 2020.06.02

[퀀텀닷 완전정복] 제5화 차세대 기술–② 돌돌 말고 몸에 붙이고 자체발광 퀀텀닷

☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제5화 차세대 기술–① 돌돌 말고 몸에 붙이고! 자체발광 퀀텀닷   카드뮴 안 쓰는 친환경 자발광 퀀텀닷 개발 치열 자발광 퀀텀닷은 이미 개발돼있다. 2014년 중국 저장대 연구팀이 적색 자발광 퀀텀닷에서 최고 효율(20.5%)을    달성했고, 2015년 미국 퀀텀닷 개발업체인 나노포토니카는 녹색 자발광 퀀텀닷에서 최고 효율(21.0%)을 기록했다. 여기서 말하는 발광 효율은 퀀텀닷이 받아들이는 전기 에너지 대비 뿜어져 나오는 빛 에너지의 양을 뜻한다. 하지만 현재 이들 자발광 퀀텀닷이 디스플레이에 사용되지는 않고 있다. 이들 모두 셀렌화카드뮴(CdSe)으로 만든 퀀텀닷이기 때문이다. 카드뮴은 퀀텀닷이 처음 발견될 때부터 주요 재료로 사용한 물질이지만, 인체에 발암물질로 작용할 가능성이 알려지면서 더 이상 디스플레이에 쓰지 않는다.  2013년 일본의 전자업체 소니가 카드뮴을 사용한 퀀텀닷 TV를 출시했지만, 이런 이유로 1년 만에 시장에서 철수했다. 결국 자발광 퀀텀닷 개발은 원점으로 돌아왔다. 세계적으로 카드뮴을 쓰지 않은 친환경 자발광 퀀텀닷을 만들기 위한 경쟁이 치열하다. 카드뮴 대신 사용할 주 재료 물질로는 인화인듐(InP)이 가장 유력한, 그리고 거의 유일한  후보로 꼽히고 있지만, 카드뮴을 사용할 때보다 효율이 낮다. 양 교수는 “환경에 유해하지 않은 물질이어야 하고, 나노미터 단위로 작게 만들 수 있어야 하며, 디스플레이에     사용하기 위해 가시광선 영역의 빛을 내는 등의 조건을 동시에 만족하는 물질은 매우 제한적”이라고 설명했다. 연구자들은 인화인듐을 활용해 디스플레이의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 하나씩 차근차근 구현하고 있다. 2019년 삼성은 자발광 퀀텀닷으로 디스플레이에 사용할 수 있는 적색 소자를 개발하는 데 성공해…
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퀀텀닷 완전 정복 2020.06.01

[퀀텀닷 완전정복] 제5화 차세대 기술–① 돌돌 말고 몸에 붙이고! 자체발광 퀀텀닷

수nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 크기의 아주 작은 반도체 입자인 퀀텀닷. 퀀텀닷은 1982년 러시아 과학자들이 처음 발견한 뒤 1993년 마크 캐스트너 미국 매사추세츠공대(MIT) 교수가 처음 합성했고, 삼성에서 친환경 퀀텀닷 소자를 활용한 첫 번째 상품인 퀀텀닷 TV를 2014년 출시했다. 최초 발견 시점으로 따지면 40년이 다 돼 가지만, 퀀텀닷은 여전히 차세대 소자로 꼽힌다. 아직 퀀텀닷이 보여주지 못한 기술이 무궁무진하기 때문이다. 퀀텀닷이 가져올 미래 기술은 어떤 것이 있을까.   돌돌 말리는 디스플레이, 자발광 퀀텀닷 퀀텀닷을 가장 적극적으로 활용하고 있는 분야는 TV나 컴퓨터 모니터와 같은 디스플레이다. 디스플레이의 가장 중요한 요소인 색을 구현하는 성능이 현존하는 다른 소재들보다 뛰어나기 때문이다. 현재 디스플레이 분야에서는 퀀텀닷을 통해 총천연색을 구현하고 있지만, 여기에 만족하지 않는다. 마음대로 휠 수 있고 심지어 돌돌 말 수도 있는 플렉시블 디스플레이, 그리고 피부에도 부착할 수 있는 웨어러블 디스플레이에 퀀텀닷을 쓰기 위한 연구가 진행되고 있다. 이에 대한 가능성은 2015년을 전후해 국내외 연구팀들이 이미 실험으로 증명했다. 중국 쓰촨대 국립친환경고분자 물질공학연구소는 셀렌화아연(ZnSe)이라는 물질로 만든 퀀텀닷으로 빛이 나는 투명종이를 선보이기도 했다.  ▲ 2017년 기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단에서 개발한 퀀텀닷 웨어러블 디스플레이. 퀀텀닷을 이용해 두께는 5.5µm로 매우 얇으며, 색순도가 높을뿐더러 낮은 전압에도 매우 밝은 빛을 낸다. 플렉시블 디스플레이와 웨어러블 디스플레이의 공통점은 디스플레이의 형태를 사용자가 원하는 대로 바꿀 수 있다는 것이다. 퀀텀닷을 활용한 디스플레이가 형태를 자유자재로 바꿀 수 있는 가장 큰 이유는 두께를 얇게 만들 수 있기 때문이다. 단단한 금속도 나노미터 단위로 얇게 만들면 휠 수 있는 것처럼, TV 역시…
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디스플레이 용어알기 2020.05.27

[디스플레이 용어알기] 53편: COG, COF, COP

디스플레이 패널이 작동되려면 DDI(디스플레이 드라이버 IC)라는 작은 반도체 칩이 사용됩니다. DDI는 TFT에 신호를 전달해 픽셀을 제어하는 역할을 하며, 스마트폰과 같은 제품의 AP와 패널 사이의 신호 통로 역할을 합니다. COG, COF, COP는 이런 DDI를 디스플레이 또는 인쇄회로 기판에 연결하는 형태나 방식을 말하는 용어입니다. 디스플레이 패널에 사용되는 기판에 드라이버 IC를 부착할 때는, 기판의 종류나 부착 방법에 따라 다른 기술이 적용됩니다. COG (Chip On Glass)는 디스플레이 유리 기판 위에 직접 드라이버 IC를 탑재하는 방식입니다. COF (Chip On Film)는 드라이버 IC가 실장 된 박막인쇄회로가 형성된 필름을 말하는 것으로, 이 필름을 디스플레이 기판과 FPCB에 연결합니다. 얇은 필름 타입 위에 부착하기 때문에 필름을 말거나 접을 수 있어, 패널이 탑재되는 제품의 두께나 크기를 줄이는 유연한 설계가 가능합니다. COP (Chip On Plastic)는 디스플레이 기판으로 사용되는 유연한 PI(폴리이미드)에 드라이버 IC를 직접 부착하는 방식입니다. COF와 COP는 유연한 소재의 필름과 폴리이미드 기판에 DDI를 부착하는 만큼 플렉시블 디스플레이나 풀 스크린 등에 주로 활용하는 방식입니다. 유연한 소재에 적용하기 때문에 제품의 상하단 베젤을 줄이는 등 공간 활용성이 우수합니다.
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디스플레이 용어알기 2020.05.13

[디스플레이 용어알기] 52편: 모듈 (Module)

OLED 모듈은 셀 공정(51편)을 거친 개별 디스플레이용 패널이 최종 제품(스마트폰, 노트북, 스마트워치 등)에서 구동할 수 있도록 한 디스플레이 단위 부품을 의미합니다.  OLED 모듈은 Cell공정을 거친 디스플레이 패널에 영상신호처리 반도체(DDI)와 연결 케이블(FPCB)이 최종 제품과 상호연동할 수 있도록 전기적으로 접속되어 있으며 전면에는 디스플레이를 외력으로부터 보호하기 위한 윈도우(보호 커버)와 빛이 특정 방향으로만 발산되도록 하는 편광판(Polarizer)이 부착되어 있습니다. 사양에 따라 TSP(Touch Screen Panel), 지문인식센서 등 다양한 부품이 추가로 부착된 경우도 있습니다.
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디스플레이 용어알기 2020.05.07

[디스플레이 용어알기] 51편: 셀 공정 (OLED Cell)

OLED Cell은 FAB 제조 과정인 TFT(Thin Film Transistor, 기판), Evaporation(증착) 및 Encapsulation(봉지) 공정을 차례로 거쳐 만들어진 큰 Size의 디스플레이 기판에서 불필요한 부분을 제거하고 최종 제품 용도에 맞춰 적절한 크기로 잘라낸 상태를 말합니다.  즉, 효율적인 생산을 위해 대형으로 FAB 제조 과정이 진행된 디스플레이 원장 기판을 제품 크기가 큰 노트북, 태블릿의 경우 수 개에서 수십 개로, 그리고 스마트폰이나 스마트워치와 같이 제품 크기가 작은 경우 수십 개에서 수백 개로 잘라진 독립적인 디스플레이 기판을 의미합니다. 이러한 Cell을 만드는 과정은 디스플레이 기판을 절단하는 과정이 주요 공정이며 절단 과정에서는 테두리가 날카로운 Wheel 또는 Laser를 주로 활용합니다. 제품군별로 절단 방법이 다른데 Rigid OLED의 경우 단단한 유리 소재인 원장 기판을 절단할 때는 다이아몬드 소재 Wheel이 주로 사용됩니다. 갈수록 적용범위가 넓어지고 있는 Flexible OLED의 경우 가공성이 좋은 Laser가 주로 사용됩니다. Flexible OLED는 PI 원장을 유리 받침 위에 부착시킨 후 TFT 기판을 형성시키는데, 달라붙어 있는 받침과 PI 기판을 떼어내는 과정도 Cell을 만드는 과정 중에 진행됩니다. 이렇게 단위 Cell은 최종 제품의 모양에 맞춰 다양한 크기와 모양으로 가공이 완료되면, 다음 공정인 Module공정으로 투입됩니다.
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퀀텀닷 완전 정복 2020.05.06

[퀀텀닷 완전정복] 제 4화 친환경 퀀텀닷 – ② 인체 유해한 카드뮴을 없애다!

☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제4화 친환경 퀀텀닷-① 인체 유해한 카드뮴을 없애다!   3-5족 퀀텀닷 개발한 삼성 배완기 성균관대 나노공학과 교수는 “현재 퀀텀닷 연구에서 카드뮴으로 대표되는 12족 원소를 16족 원소와 합성(2-6족 퀀텀닷)하는 방식은 거의 사용되지 않는다”며 “대부분 13족 원소를 15족 원소와 합성(3-5족 퀀텀닷)하는 연구를 진행중”이라고 말했다. 하지만 퀀텀닷의 장점을 살리는 데 가장 적합한 원재료였던 카드뮴을 다른 물질로 대체하는 게 말처럼 쉽지는 않다. 인듐으로 대표되는 13족 원소에 15족 원소를 합치면 합성하는 과정과 결과물의 성능 모두에서 문제가 나타난다. 우선 3-5족 퀀텀닷은 2-6족 퀀텀닷보다 합성하기 어렵다. 2-6족이 결합하는 힘보다 3-5족의 결합력이 약하기 때문이다. 배 교수는 “3-5족 퀀텀닷을 합성하기 위해 화학 반응이 더 잘 일어나도록 반응성이 높은 물질을 추가하거나 더 높은 온도에서 합성해야 한다”며 “반응성이 높다는 건 곧 폭발 위험성이 높다는 뜻이기도 해서 산업 현장에서 적용하려면 더 까다로운 관리가 필요하다”고 말했다. 퀀텀닷의 성능 역시 3-5족 퀀텀닷이 떨어진다. 여기서 퀀텀닷의 성능이란 디스플레이와 바이오이미징 분야에서는 색 순도와 열 안정성 등을, 태양전지에서는 광전환 효율을 말한다. ▲ 2-6족과 3-5족 최초로 합성에 성공한 퀀텀닷의 코어는 12족에 속한 카드뮴을 16족의 셀레늄과 합성해 만들었으나, 최근에는 인체에 유해하지 않은 13족의 인듐에 15족 원소인 인(P)이나 비소(AS)를 합성한다. 다만 인듐 기반 퀀텀닷은 카드뮴 기반 퀀텀닷보다 결합력이 떨어져 합성하기도 어렵고 성능, 특히 안정성(수명)이 떨어진다.   정소희 성균관대 에너지과학과 교수는 “카드뮴이나 납 같은 중금속이 경금속인 인듐보다 빛을 흡수하는…
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퀀텀닷 완전 정복 2020.05.04

[퀀텀닷 완전정복] 제 4화 친환경 퀀텀닷 – ① 인체 유해한 카드뮴을 없애다!

수nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 아주 작은 나노입자인 퀀텀닷(QD·Quantum Dot). 퀀텀닷의 가장 큰 특징은 같은 재료로 만들더라도 크기를 조금만 달리하면 발광하는 색을 비롯한 전기적, 광학적 특성을 다양하게 조절할 수 있다는 점이다. 이는 다양한 분야에서 주목할만한 장점이다. 예를 들어 µm(마이크로미터·1µm는 100만분의 1m) 이상 크기의 물질을 이용할 때는 기존과 다른 특성의 물질을 만들기 위해 새로운 원재료를 찾아야만 했지만, 퀀텀닷은 굳이 새로운 원재료를 찾지 않아도 입자 크기만 조금 다르게 만들면 원하는 특성을 갖는 물질을 얻을 수 있기 때문이다. 이에 천연색을 구현하고자 하는 디스플레이, 기존 재료로는 광전환 효율의 한계가 명확했던 태양전지, 신체 조직을 뚫고 나올 수 있는 가시광선과 근적외선이 필요한 바이오이미징 등 여러 분야에서 퀀텀닷을 활용하기 위해 연구가 진행되고 있다. 각 분야에 특화된 퀀텀닷을 만들기 위한 연구가 치열하지만, 그럼에도 모든 분야에서 공통으로 우선시하는 것이 하나 있다. 바로 퀀텀닷의 원재료를 친환경 재료로 대체하는 것이다.   인체에 유해한 카드늄, 다른 물질로 대체 최초의 퀀텀닷은 카드뮴에서 나왔다. 1982년 최초로 발견된 퀀텀닷도, 1993년 처음으로 실험실에서 합성하는 데 성공한 퀀텀닷도 모두 카드뮴이 핵심 원재료다. 카드뮴은 은백색의 금속으로, 칼로 자를 수 있을 만큼 부드러워 변형하기 쉽고, 전기전도성이 뛰어나다는 장점이 있다. 다른 물질과 혼합도 잘 돼 또 다른 장점을 보탠 화합물로 만들기도 쉽다. 그래서 이미 1800년대 미술가들은 카드뮴을 황화합물과 섞어 빨간색과 노란색 안료를 만들었고, 1930년대에는 자동차나 비행기의 부식을 막기 위한 도금 재료로 사용했으며,…
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테크 2020.04.20

[디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 2편

지난 1편에서는 유기 화합물의 구성과 특성에 대해 알아보았습니다. 이번 편에서는 OLED가 유기 화합물을 활용해 어떻게 빛을 내는지 그 과정과 방법에 대해 알아보겠습니다. 1편 다시 보기:  [디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 1편   유기 화합물 발광 재료의 OLED 응용 OLED는 전류를 가했을 때 이에 반응해 빛을 내는 발광 물질로 이루어진 ‘발광층’이 있습니다. 이 곳에서 전자와 정공이 만나 빛을 냅니다. OLED는 양극과 음극 사이에 유기 화합물로 구성된 얇은 박막을 적층하고 전류를 인가해 전공과 전자를 주입합니다. 이 때 주입 된 전공과 전자를 전하 운반체라 합니다. 이들은 쇼트키(Schottky) 열방사, 파울러-노르드하임 (Folwer-Nordheim)형 터널 주입과 같은 현상을 통해 주입이 가능하게 됩니다. 주입된 전하 운반체는 전공 수송층(HTL) 또는 전자 수송층(ETL)을 거쳐 중앙에 위치한 발광층으로 전달되고, 이 곳에서는 이동해 온 전하 운반체의 재결합이 일어나게 됩니다. 이 과정 중에 들뜬 상태의 여기자(Exciton)가 형성되고, 이 후 바닥 상태로 안정화되면서 외부로 빛을 방출하게 됩니다. 전류의 흐름에 따라 발광층 내부의 유기 화합물이 스스로 빛을 방출할 수 있는 자체발광형 다이오드는 LCD에 비해 소비 전력이 낮고 응답 속도가 빠르며 높은 선명도 및 넓은 시야각을 확보할 수 있어 1987년 이후 빠른 속도로 발전하게 된 것입니다. ※ 여기자: 전공과 전자가 정전기적인 쿨롱힘에 의해 서로 속박되어 짝을…
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[디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 1편
테크 2020.04.17

[디스플레이 심층 탐구] OLED 유기 재료의 특성과 발광 원리- 1편

우리가 사용하는 스마트폰의 주요 디스플레이 OLED는 뛰어난 색재현력과 높은 명암비로 생생한 화질을 보여주는 최첨단 디스플레이입니다. 많이들 아시다시피 OLED는 ‘유기물질’의 발광 특성을 이용해 화면을 재생해 주는데, 오늘은 이 OLED의 ‘유기화합물’이 어떤 특성을 갖고 발광하는지 그 원리를 알려드리고자 합니다.   유기 화합물이란? 먼저 알아볼 것은 물질을 구성하고 있는 근본, ‘원소’에 대한 것입니다. 118개의 원소 중 탄소를 중심으로 수소, 질소, 산소 이 외의 몇 가지 원소들이 다양한 화학적 결합을 형성하고 있는 구조 화합물을 ‘유기화합물(organic compound)’ 이라고 합니다. 단백질, 탄수화물, 지방, 설탕, 아미노산, 비타민과 같이 생체를 구성하는 주요 물질이 이에 해당하며, 19세기 초부터 지금까지 이들 화합물의 반응성에 대한 이해와 신규 화합물 합성법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 또한 이런 화합물들은 섬유, 수지, 고무, 색소, 플라스틱과 같은 우리 일상 생활과 밀접하게 관련된 생활 용품의 소재로도 활용 되고 있습니다. 유기 화합물은 일반적으로 구성 원소 사이의 결합 에너지가 비교적 낮기 때문에, 무기 화합물(inorganic compound)에 비해 녹는점 및 끓는점이 낮은 편입니다. 뿐만 아니라 구성 원소의 결합 종류나 원소의 길이, 화합물의 구조적 차이에 따라 특정 에너지를 흡수하고 방출할 수 있는 특성이 있어 다양한 광학 소재 개발에도 활용될 수 있다는 장점이 있습니다.   유기 화합물의 구성과 특성 OLED가 빛을 내는 원리를 알기…
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디스플레이 용어알기 2020.04.14

[디스플레이 용어알기] 50편: 박막봉지 (TFE, Thin Film Encapsulation) 공정

박막봉지는 플렉시블 OLED 패널에서 진행하는 봉지(인캡슐레이션) 공정입니다. 지난 49편에서 설명했듯이, 봉지 공법은 OLED의 유기물질에 산소와 수분을 차단하기 위한 공정입니다. [디스플레이 용어알기] 49편. 인캡슐레이션(Encapsulation) 공정 일반 OLED (Rigid OLED)의 경우 Glass를 기판으로 사용하므로 봉지 공정 역시 증착이 완료된 LTPS 기판 위에 Glass를 사용하여 덮고, 테두리 부분에 Seal을 발라 합착하여 산소와 수분이 들어오지 못하도록 밀봉합니다. 그런데 플렉시블 OLED는 패널이 휘어져야 하기 때문에 Glass 대신 유연한 폴리이미드 소재의 기판을 사용합니다. 따라서 봉지 공정 역시 일반 OLED와는 달리 유연성을 갖도록 제작해야 합니다. 이를 위해 진행하는 것이 바로 박막봉지입니다. 박막봉지는 증착 단계가 끝난 패널에 박막 봉지 소재를 얇게 성막(막을 입히는 것)하기 때문에 일체형 봉지라고 볼 수 있습니다. 단일층으로 덮는 일반 봉지 공정과는 달리 박막봉지는 무기막/유기막으로 이루어진 여러개의 층으로 구성되어 있습니다. 무기막은 수분과 공기 침투를 잘 막아내는 특성을 지녔으나 소재 특성상 파티클(작은 먼지)이 존재합니다. 이런 파티클 때문에 핀홀이라 불리는 구멍이 생겨 무기막 단일층만 사용하게 되면 공기와 수분이 빠르게 침투하여 암점이 생기게 됩니다. 따라서 무기막과 유기막을 번갈아 성막하여 위, 아래 무기막의 구멍을 공간적으로 분리시키면 침투 경로가 길어져서 공기와 수분이 발광층까지 도달하지 못하게 됩니다. 여기서 유기막의 역할은, 먼저 성막된 무기막의 파티클을 잘 둘러싸서 평평하게 만들어, 두번째 무기막이 성막될 때 아래 파티클의 영향으로 구멍이 생기는 것을 최소화 해 주는 것입니다.
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