주제: 차세대 디스플레이 특성 분석 및 미래 시장 동향 예상
주제 선정 이유: 수능특강 양자점 디스플레이’ 관련 지문에서 양자점의 크기를 나노미터 단위로 조절하여 방출하는 빛의 파장을 인위적으로 제작해 높은 발광색 순도를 가지는 양자점 디스플레이의 원리에 대해 디루는데, 이러한 내용이 작년에 탐구하였던 물질의 조성 변화를 통해 빛의 파장을 조절하는 페로브스카이트와 깊은 연관이 있어보였고, 두 물질(구조) 모두 디스플레이와 태양전지에 활용된다는 점에서 더욱 흥미가 가 이 둘을 비교 분석하는 보고서를 작성함.
1.서론
–디스플레이에 대하여
-탐구에 앞서 디스플레이에 대해 심도 있게 알아보고자 ‘디스플레이 구조 교과서’-사이토 가쓰히로를 읽어보았음
-디스플레이를 평가할 때 가장 중요한 것은 휘도(밝은 곳은 더 밝게, 어두운 곳은 더 어둡게), 색 구현력(실제로 구현하려는 그 색상을 얼마나 본래의 색으로 구현할 수 있는지), 안정성(장시간 또는 장기간 사용해도 화질 변화나 작상 등 문제없이 일정한 성능을 보여주는지)
-디스플레이는 크게 LCD(액정 디스플레이)와 유기EL 디스플레이(OLED)로 나뉨
-유기EL 디스플레이는 유기 분자 스스로가 발광하며 페시브 매트릭스 방식과 액티브 매트릭스 방식이 있음.
-페시브 매트릭스는 행 전극과 열 전극에 전압을 걸어 교차점에 해당하는 픽셀만 빛이 나게 하는 방식으로 픽셀간 간격이 가까울 시 옆 픽셀마저 커져버리는 ‘크로스톡 현상’ 발생
-액티브 매트릭스 방식은 픽셀 하나하나에 TFT(박막형 트랜지스터)와 축전기가 있어 각각 독립적으로 제어하기에 픽셀 간 간섭이 없고 축전기로 전류 공급을 유지하기 때문에 고전압으로 강한 전류를 공급할 필요가 없어 수명이 길어짐. 각 픽셀을 세가지로 나누어 빨파초를 내는 유기물을 증착해 빛을 냄(요즘은 거의 100% 액티브 매트릭스 방식)
-LCD는 그림자 놀이에 간단하게 비유할 수 있음. 스스로 발광하지는 않지만 벽에 닿는(우리에게 도달하는) 빛을 손으로 조절해 원하는 결과를 얻는 방식. 구체적으로는 첫 번째 광학 보상 필름에서 수평 방향의 빛만 통과시키고 STN셀에서 접압을 이용해 액정의 배열(휘어진 정도)을 바꾸어 빛의 방향을 조절한 뒤 두 번째 광학 보상 필름과 빛의 방향이 일치하는 빛만 방출되게 하여 빛의 세기를 조절함. 스스로 발광하지 않고 발광 패널(백라이트)을 따로 두기 때문에 유기EL과 달리 완전한 검정색 구현 어려움(휘도 떨어짐). 컬러필터를 이용해 색 구현(색 발현력 떨어짐)
2.본론
–양자점 디스플레이
-QLED란? 양자점이 자발광하는 것이 아닌 기존 LCD 디스플레이에 색 발현력이 뛰어난 양자점 필름을 덧대어 순도 높은 색을 구현하는 기술(양자점이 조연(필름) 역할에 불과(QD-OLED도 마찬가지)
-진정한 양자점 디스플레이-자발광 QD-LED: 양자점 자체가 빛을 내는 구조로 전자를 매우 좁은 공간에 가둬놓는 구조를 이용하여(양자 구속 효과) 특정 파장에 빛에너지를 직접적으로 방출할 수 있어 발광 휘도가 높고 RGB의 색 구분이 잘 되어있어 OLED보다 색 발현력이 훨씬 뛰어남(그래프 제시)
-하지만 부피에 비해 표면적이 매우 넓어 산화되기 쉬움
-수특 지문에서는 셀과 리간드를 이용한 안정화 연구만 언급되었지만 실제로는 봉지 기술 즉 양자점 층을 플라스틱 필름으로 완전히 밀봉하는 기술이 보편적으로 제시되고 있음
–페로브스카이트 디스플레이
-페로브스카이트가 자발광하는 디스플레이를 이르며 물질 조성 조절을 통해 특정 파장에 빛에너지를 직접적으로 방출하도록 설계할 수 있음
-이 세가지 물질(구조) 중 반치폭이 가장 작다(작을수록 발광 휘도 높음, 그래프로 설명)
-한국 이태우 교수팀이 원천 특허를 확보하여 기술 주권이 있음
-최근 저온 주입 기술이 개발되어 열로 인한 품질 저하 문제와 생산 비용 문제를 부분 해결
-용액 공정이 가능하여 고가의 장비가 필요 없고(단가가 가장 쌈) 전압이 낮아도 휘도가 높음
-수분/산소에 매우 취약함
–디스플레이 비교하기
-휘도(반치폭 20 30 50)와 색 구현력을 비교하였을 때 파장을 인위적으로 조정이 가능한 양자점과 페로브스카이트 디스플레이가 OLED보다는 이론적으로 훨씬 뛰어남
-관건은 안정성과 경제성인데, 양자점 디스플레이의 수분과 산소에 취약한 점을 해결하기 위한 봉지 공정 방안에서 의문이 들었음
-전에 페로브스카이트 태양전지에 대해 탐구할 때 똑같이 봉지 공정을 사용하였는데, 기존 효율 대비 4~7%의 상대적 효율이 감소하였고 기존 장점이던 소재의 유연성 또한 일부 상실함
-이를 생각했을 때 빛을 방출하는 디스플레이에서도 유의미한 휘도 감소가 발생할 수 있음
-또한 이론적인 값에서 다양한 필름으로 인한 휘도와 색 구현력 감소를 생각하면 기대보다 성능이 더 낮아질 수 있음
-또한 양자점과 페로브스카이트의 기존 카드뮴, 납 등 중금속 사용을 막기 위해 다른 물질을 사용할 시 성능 대폭 감소 우려가 있음
-기존 납 기반 페로브스카이트 태양전지가 25~26%였다면 주석 기반 태양전지는 10~14% 수준으로 급감했었음
3.결론
-휘도와 색 구현력에서는 양자점과 페로브스카이트가 우세하나 안정성과 중금속 문제에 적절한 해결방안이 마련되어야 함
-두 물질(구조)은 QLED,QD-OLED와 같이 기존 OLED와 결합한 과도기적 시점을 거쳐 OLED의 보지 공정의 개선된 방식인 초박막 봉지 공정이 마련되고 중금속 사용에 대한 문제가 일부 해결된 뒤 OLEd를 뛰어넘을 것으로 생각됨
-그 이후에는 반치폭이 작아 이론상 휘도가 더 높고, 용액 공정으로 비용이 저렴하며, 최근 저온 공정이 개발되었으며, 높은 전하 이동도로 낮은 전압에도 높은 휘도를 보여주는 페로브스카이트 디스플레이가 차세대 기술이 등장할 때까지 디스플레이 시장을 장악하리라 예상됨
4.소감
이번 활동을 통해 과학 분야의 책을 사실적/비판적으로 읽어가며 나의 경험과의 일치 여뷰를 확인해 나아가는 과정에서 책의 내용을 더욱 깊이 있게 탐독할 수 있었고, 더 많은 지식을 얻어가는 기회가 되었음. 또한 주어진 수치를 그대로 받아들이는 것이 아닌 언급되지 않은 제약 조건과 한계를 감안하며 바라보는 비판적인 시각을 적용해보며 글을 올바르게 읽을 수 있는 독자로서의 능력을 함양할 수 있었음