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퀀텀닷 디스플레이

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목차

1. 개요

퀀텀닷 디스플레이는 양자점을 활용하여 색 재현율을 높이고 밝기를 개선한 디스플레이 기술이다. 양자점은 광 발광 또는 전기 발광 방식으로 작동하며, LCD 백라이트에 퀀텀닷 필름을 추가하거나(QDEF), 퀀텀닷을 컬러 필터 대신 사용하는(QDCC) 방식 등으로 구현된다. QLED는 퀀텀닷을 발광층으로 사용하는 자발광 디스플레이 기술로, OLED와 유사한 구조를 갖지만 무기물 기반으로 수명이 길고 번인 현상이 적다는 장점이 있다. 삼성전자는 QLED TV를 통해 시장을 선도하고 있으며, QD-OLED 및 QNED 기술 개발에도 주력하고 있다. LG전자는 미니 LED 백라이트를 사용한 LCD 기반의 QNED TV를 출시하고 있다.

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퀀텀닷 디스플레이
개요
종류디스플레이 장치
설명양자점을 사용하는 디스플레이 장치
세부 기술
핵심 요소양자점
특징마이크로 LED 픽셀 크기 축소 가능
기술 개발삼성전자 등에서 연구 중
종류QLED
QD-OLED
양자점 발광 다이오드 (QD-LED)
# - thead:
# - th: 역사
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# - th: 개발 역사
# td: "2006년: MIT Technology Review에서 나노 결정 디스플레이 소개"
# - th: 출시 역사
# td:
# - "2016년: 삼성전자, SUHD QLED TV 출시 예정"
# - "2023년 11월 9일: Sony, Bravia XR A95L QD-OLED TV 리뷰"

2. 동작 원리

양자점(퀀텀닷)을 광원으로 사용하려는 아이디어는 1990년대에 등장했다. 초기에는 QD 적외선 광 검출기, 발광 다이오드, 단색 발광 장치를 사용한 이미징 등에 응용되었다.[11] 2000년대 초부터 과학자들은 광원 및 디스플레이용 양자점 개발 가능성을 인식하기 시작했다.[12]

양자점은 ''광 발광''(photoluminescent) 또는 ''전기 발광''(electroluminescent) 방식으로 작동하며, 새로운 발광 디스플레이 구조에 쉽게 통합될 수 있다.[13] 양자점은 자연적으로 단색광을 생성하므로, 색상 필터가 필요한 백색 광원보다 효율적이며 Rec. 2020 색 영역의 거의 100%에 도달하는 더 선명한 색상을 표현할 수 있다.[14][83][10]

2. 1. 퀀텀닷의 광학적 특성

양자점(Quantum dot)은 ''광 발광''(photoluminescent) 또는 ''전기 발광''(electroluminescent) 방식으로 작동하며, 이를 통해 새로운 발광 디스플레이 구조에 쉽게 통합할 수 있다.[13] 양자점은 자연적으로 단색광을 생성하므로 색상 필터링 시 백색 광원보다 효율적이며, Rec. 2020 색상 영역의 거의 100%에 도달하는 더 선명한 색상을 허용한다.[14][83][10]

QD(퀀텀닷)의 성능은 QD 구조의 크기 및/또는 조성에 의해 결정된다. 단순한 원자 구조와 달리 퀀텀닷 구조는 에너지 준위가 구조의 크기에 크게 의존한다는 특이한 특성을 가지고 있다. 예를 들어, CdSe 퀀텀닷의 발광은 적색(직경 5nm)에서 자색 영역(직경 1.5nm 닷)까지 조절될 수 있다. QD의 착색의 물리적 이유는 양자 구속 효과이며, 이는 그들의 에너지 준위와 직접적으로 관련이 있다. 형광 빛의 에너지(및 색상)를 결정하는 띠 간격 에너지는 퀀텀닷 크기의 제곱에 반비례한다. 더 큰 QD는 더 가깝게 배치된 더 많은 에너지 준위를 가지므로, QD가 더 낮은 에너지(더 붉은색)의 광자를 방출(또는 흡수)할 수 있다. 즉, 반도체 여기를 더 작은 부피로 제한하는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문에 닷 크기가 감소함에 따라 방출된 광자 에너지가 증가한다.[77]

최신 퀀텀닷 구조는 카드뮴 대신 인듐을 사용하는데, 이는 후자가 유럽 위원회 RoHS 지침에 따라 조명에 사용이 면제되지 않으며,[24][78] 카드뮴의 독성 때문이기도 하다.

QD-LED는 20nm–40nm 범위의 FWHM (반 최대 폭)을 가지는 좁은 대역폭을 갖는 순수하고 포화된 방출 색상으로 특징지어진다.[12][26] 그들의 방출 파장은 퀀텀닷의 크기를 변경함으로써 쉽게 조정된다. 또한 QD-LED는 효율성, 유연성, 저렴한 처리 비용을 갖춘 유사한 유기 발광 장치와 결합하여 높은 색 순도와 내구성을 제공한다. QD-LED 구조는 460nm (파란색)에서 650nm (빨간색)까지 가시 파장 범위 전체에 걸쳐 조정될 수 있다(사람의 눈은 380nm~750nm의 빛을 감지할 수 있다). QD 및 장치 구조의 화학적 조성을 조정하여 방출 파장이 UV 및 NIR 범위까지 지속적으로 확장되었다.[79][80]

2. 2. 퀀텀닷 강화 필름 (QDEF)

퀀텀닷 강화 필름(QDEF)은 LCD TV의 LED 백라이트를 개선하는 데 널리 사용되는 기술이다. 청색 LED 백라이트에서 나오는 빛이 퀀텀닷(QD)에 의해 순수한 적색과 녹색으로 변환된다. 이로써 청색, 녹색, 적색 빛의 조합은 액정 디스플레이 화면 뒤의 컬러 필터에서 청록색의 누화 및 빛 흡수를 줄여 빛 투과율을 높이고 색 재현율을 개선한다.[15]

소니는 2013년에 '트릴루미노스'라는 상표로 이러한 방식의 TV를 처음 출시했다.[15] 삼성전자, LG전자, TCL 등은 국제 전자 제품 박람회 2015에서 QD로 강화된 LCD TV의 LED 백라이트를 선보였다.[16][17][18] 2017년 CES에서 삼성은 'SUHD' TV를 'QLED'로 브랜드화했으며, 2017년 4월에는 하이센스 및 TCL과 함께 QD 강화 TV를 생산 및 판매하기 위해 QLED 얼라이언스를 결성했다.[19][20]

QDOG(Quantum dot on glass)는 LGP(light-guide plate) 위에 코팅된 얇은 QD 층으로 QD 필름을 대체하여 비용을 절감하고 효율성을 개선한다.[21][22]

온칩 또는 온레일 적녹색 QD 구조를 갖춘 청색 LED를 사용하는 기존의 백색 LED 백라이트가 연구되고 있지만, 높은 작동 온도는 수명에 부정적인 영향을 미친다.[24][23]

2. 3. 퀀텀닷 컬러 컨버터 (QDCC)

QD 컬러 컨버터(QDCC)는 LED 백라이트 LCD에서 색 순도를 높이고 전력 효율을 개선하는 기술이다. 붉은색/녹색 서브 픽셀 패턴에 맞춰 정렬된 퀀텀닷을 QD 필름이나 잉크로 인쇄하여 순수한 붉은색/녹색 빛을 생성한다. 파란색 서브 픽셀은 순수한 파란색 LED 백라이트를 그대로 통과시키거나, UV-LED 백라이트를 사용하는 경우에는 파란색 패턴의 퀀텀닷으로 만들 수 있다. 이러한 구조는 빛의 2/3를 걸러내어 손실이 큰 기존 컬러 필터를 광발광 QD 구조로 대체함으로써 전력 효율과 최대 밝기를 향상시킨다.[24][26][25]

퀀텀닷은 빛을 편광 해제하는 성질이 있어, 출력 편광자(분석기)를 컬러 컨버터 뒤, LCD 유리 안쪽(인셀)에 배치해야 한다. 이는 시야각을 개선하는 효과가 있다. 또한, 분석기나 편광자를 인셀에 배열하면 LC 레이어의 편광 해제 효과를 줄여 명암비를 높일 수 있다. 주변광은 기존 컬러 필터로 차단하고, 반사 편광자를 사용하여 QDCC에서 나오는 빛을 시청자 방향으로 보낼 수 있다. 액정 레이어를 통과하는 빛은 청색 또는 UV 광선뿐이므로, 액정 레이어를 더 얇게 만들어 픽셀 응답 시간을 단축할 수 있다.[26][27]

나노시스(Nanosys)는 2017년에 광발광 컬러 컨버터 기술을 발표하면서 2019년까지 상용 제품 출시를 예상했다.[28][19][29][30][31][32][33][34][74] 그러나 2019년 12월까지 인셀 편광자 문제가 해결되지 않아 QD 컬러 컨버터가 장착된 LCD는 출시되지 않았다.[35]

QD 컬러 컨버터는 OLED나 마이크로 LED 패널과 함께 사용되어 효율성과 색 영역을 개선할 수도 있다.[21][74][36][37] 삼성과 TCL은 파란색 이미터와 적색-녹색 컬러 컨버터를 결합한 QD-OLED 패널을 연구 중이며, 삼성은 2021년 생산 시작을 계획했었다.[38][39][40][41][42][43] 2019년 10월, 삼성 디스플레이는 2019년부터 2025년까지 108억달러를 투자하여 8G 패널 공장 전체를 QD-OLED 생산으로 전환할 계획을 발표했다.[44][45][46][47] 삼성 디스플레이는 CES 2022에서 55인치 및 65인치 QD-OLED 패널을 공개했으며, 삼성전자와 소니 TV가 2022년 하반기에 출시될 예정이었다.[48] QD-OLED 디스플레이는 최대 밝기 1500니트로 Rec.2020 색 영역의 90%를 표현하여, 기존 OLED 및 LCD TV (Rec.2020 색 영역의 70–75%)보다 더 나은 색상 볼륨을 제공한다.[49][50][51]

QD-OLED 디스플레이에서 더 발전된 형태는 청색 OLED 층을 InGaN/GaN 청색 나노로드 LED로 대체한 퀀텀닷 나노로드 발광 다이오드(QNED) 디스플레이이다.[55] 나노로드는 평면 LED보다 발광 표면적이 넓어 효율성이 높고 더 많은 빛을 방출한다. 나노로드 용액을 기판에 잉크젯 프린팅 방식으로 인쇄한 후, 전류를 통해 서브 픽셀을 정렬하고 적색/녹색 서브 픽셀 위에 QD 컬러 컨버터를 배치한다.[52][53] 삼성디스플레이는 2021년에 QNED 패널 시험 생산을 시작할 예정이었으나,[54] 2022년 5월 현재 시험 생산이 연기되어 2024-2025년에 양산이 예정되어 있다.[56][57]

2021년부터 LG전자는 "QNED Mini LED"라는 브랜드의 TV를 출시했다. 이 TV는 미니 LED 백라이트를 사용하는 LCD 디스플레이 기반으로, 자발광 기술은 사용하지 않는다.[58] LG는 "QNED"라는 약어가 "퀀텀 나노 발광 다이오드"를 의미한다고 설명한다.[59] 다음 해, LG는 미니 LED 기술을 사용하지 않지만 LCD 기술을 사용하는 "QNED" TV를 출시했다.

2. 4. 양자점 발광 다이오드 (QLED/QD-LED)

QLED(Quantum dot light-emitting diodes) 또는 QD-LED는 별도의 광원이 필요하지 않은 자발광 기술이다. QD-LED의 구조는 OLED 기술과 매우 유사하지만, 발광층이 양자점(Quantum Dot) 물질로 구성되어 있는 점이 다르다.

구조비교 (OLEDvs.QLED)


양쪽 전극에서 주입된 전자(Electron)와 정공(Hole)이 양자점 발광층에서 만나 여기자(Exciton)를 형성하고 여기자의 발광재결합을 통해 빛을 내는 구조이다.[85] QLED의 양자점은 열과 수분에 취약하여 자발광 OLED와 같은 증착 방식이 불가능하므로 잉크젯 프린팅 방식의 개발이 필요하다.

QLED 기술은 아직 미성숙한 단계로 신뢰성/효율성, 블루 소자 수명, Soluble 공정 개발 등의 이슈가 있으며, 2020년 시점에서 상용화에는 최소 5년 이상이 소요될 것으로 업계는 예상하고 있다. 출시되어있는 소위 QLED TV는 기존 LCD 백라이트에 퀀텀닷 Sheet를 추가로 부착하여 색재현율을 향상시켰으나, 별도 광원이 필요한 비자발광 LCD TV로 자발광 QLED와는 구분되어야 한다.

삼성 QLED TV 8K - 75인치


QD-LED는 20–40 nm 범위의 FWHM (반 최대 폭)을 가지는 좁은 대역폭을 갖는 순수하고 포화된 방출 색상으로 특징지어진다.[12][26] 방출 파장은 퀀텀닷의 크기를 변경함으로써 쉽게 조정할 수 있다. 또한 QD-LED는 효율성, 유연성, 저렴한 처리 비용을 갖춘 유사한 유기 발광 장치와 결합하여 높은 색 순도와 내구성을 제공한다. QD-LED 구조는 460 nm (파란색)에서 650 nm (빨간색)까지 가시 파장 범위 전체에 걸쳐 조정될 수 있다(사람의 눈은 380~750 nm의 빛을 감지할 수 있다). QD 및 장치 구조의 화학적 조성을 조정하여 방출 파장이 UV 및 NIR 범위까지 지속적으로 확장되었다.[79][80]

3. 제작 공정

퀀텀닷은 용액 공정이 가능하며 습식 공정 기술에 적합하다. 퀀텀닷 발광 다이오드(QD-LED)의 주요 제작 기술에는 상 분리 및 접촉 인쇄가 있다.[81]

3. 1. 위상 분리 (Phase Separation)

위상 분리는 넓은 면적의 정렬된 퀀텀닷(QD) 단일층을 형성하는 데 적합하다. 퀀텀닷과 TPD(N,N′-Bis(3-methylphenyl)-N,N′-diphenylbenzidine)와 같은 유기 반도체의 혼합 용액을 스핀 코팅하여 단일 퀀텀닷 층을 형성한다. 이 공정은 동시에 육각형으로 조밀하게 쌓인 배열로 자기 조립된 퀀텀닷 단일층을 생성하고 이 단일층을 함께 증착된 접점 위에 배치한다. 용매 건조 과정에서 퀀텀닷은 유기 하부층 물질(TPD)로부터 위상 분리되어 필름 표면으로 올라간다. 결과적인 퀀텀닷 구조는 용액 농도, 용매 비율, 퀀텀닷 크기 분포 및 퀀텀닷 종횡비를 비롯한 많은 매개변수의 영향을 받는다. 또한 퀀텀닷 용액 및 유기 용매의 순도도 중요하다.[82]

위상 분리는 비교적 간단하지만, 디스플레이 장치 응용 분야에는 적합하지 않다. 스핀 코팅은 서로 다른 크기의 퀀텀닷(RGB)의 가로 패턴을 허용하지 않으므로, 위상 분리는 다색 퀀텀닷 발광 다이오드(QD-LED)를 만들 수 없다. 또한 퀀텀닷 발광 다이오드에 유기 하부층 물질을 사용하는 것은 이상적이지 않다. 유기 하부층은 균일해야 하며, 이는 적용 가능한 장치 설계를 제한하는 제약 조건이다.

3. 2. 접촉 인쇄 (Contact Printing)

폴리디메틸실록산(PDMS)을 실리콘 마스터를 사용하여 성형한다. PDMS 스탬프 윗면은 화학 기상 증착(CVD) 방향족 유기 중합체인 파릴렌-c의 얇은 막으로 코팅된다. 파릴렌-c로 코팅된 스탬프는 유기 용매에 콜로이드 퀀텀닷(QD)가 현탁된 용액을 스핀 코팅하여 잉크를 묻힌다. 용매가 증발된 후, 형성된 QD 단일층은 접촉 인쇄를 통해 기판으로 전사된다.[83]

접촉 인쇄는 다색 퀀텀닷 발광 다이오드 (QD-LED) 제작을 가능하게 한다. 적색, 녹색 및 청색 QD 단일층의 25-μm 너비의 스트라이프로 구성된 발광층을 가진 QD-LED가 제작되었다. 접촉 인쇄 방법은 또한 필요한 QD의 양을 최소화하여 비용을 절감한다.[83]

4. 다른 디스플레이 기술과의 비교

퀀텀닷 디스플레이는 가시 스펙트럼을 최대 30% 증가시키면서도, LCD보다 30~50% 적은 전력을 소비한다. 이는 주로 퀀텀닷 디스플레이가 백라이팅을 필요로 하지 않기 때문이다. QD LED는 CRT 및 LCD보다 50~100배 더 밝으며, 40,000 cd/m2를 방출한다. 퀀텀닷은 수용성 및 비수용성 용매에 모두 분산될 수 있어 대형 TV를 포함한 모든 크기의 인쇄 가능하고 유연한 디스플레이를 제공한다. 퀀텀닷은 무기물일 수 있으며, OLED에 비해 개선된 수명을 제공할 가능성이 있다.[84] 마이크로 LED 디스플레이는 퀀텀닷 디스플레이와 경쟁하는 기술로 부상하고 있다. 삼성은 100만 시간의 수명을 가진 자체 발광 양자점 다이오드를 제조하는 방법을 개발했다.[84]

다른 장점으로는 더 나은 채도의 녹색 색상, 폴리머로의 제조 가능성, 더 얇은 디스플레이 및 동일한 재료를 사용하여 다른 색상을 생성할 수 있다는 점이 있다.

단점 중 하나는 파란색 양자점이 반응 중에 매우 정밀한 타이밍 제어가 필요하다는 것이다. 햇빛은 전체 스펙트럼에서 적색, 녹색 및 청색의 거의 동일한 광도를 포함하므로, 디스플레이는 순수한 백색을 달성하기 위해 적색, 녹색 및 청색의 거의 동일한 광도를 생성해야 한다. 이는 CIE 표준 광원 D65에 의해 정의된다. 그러나 디스플레이의 파란색 구성 요소는 CIE 광도 함수에 따르면 주광 조건에서 인간의 눈이 파란색에 3~5배 덜 민감하기 때문에 녹색 및 적색에 비해 상대적으로 낮은 색 순도 및/또는 정밀도(동적 범위)를 가질 수 있다.

기존 LCD 패널 및 양자점 LCD 패널과 달리, QD-OLED는 일반 OLED 패널과 동일한 번인 현상을 겪는다.

참조

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