전북대 김민수 연구교수, 전압으로 양자점 발광 제어하는 광소자 기술 개발

PNLC 기반 광 셔터로 자외선·가시광 조절… QD-OLED 대체 가능한 QD-LCD 구조 제안

전북대학교 연구진이 전기 신호만으로 자외선부터 가시광선까지 빛을 정밀하게 제어하고, 전류가 아닌 전압을 통해 양자점 발광을 조절할 수 있는 새로운 광소자 기술을 개발했다. 연구팀은 이번 성과를 바탕으로 기존 QD-OLED 구조를 대체할 수 있는 새로운 디스플레이 구조인 ‘QD-LCD’ 개념을 제안했다.

전북대학교는 이승희 교수 연구팀의 김민수 연구교수가 전압 기반 양자점 발광 제어 기술을 개발했다고 밝혔다. 이승희 교수는 고분자나노공학과, 나노융합공학과, JBNU-KIST산학연융합학과 소속이며, 김민수 연구교수는 나노융합공학과와 BK21-FOUR 나노융복합에너지혁신소재부품인재양성사업단에 소속돼 있다.

연구팀은 먼저 고분자 네트워크로 액정 분자의 초기 배향을 제어하는 Polymer Network Liquid Crystal, PNLC를 활용해 전기적으로 투명 상태와 산란 상태를 자유롭게 전환할 수 있는 광학 플랫폼을 구현했다. 전압이 인가되지 않은 상태에서는 약 83%의 높은 투과도와 약 1.5%의 낮은 헤이즈를 유지해 높은 광학적 투명성을 보였다.

반대로 전압이 인가되면 약 90% 수준의 강한 산란 상태로 전환돼 빛을 효과적으로 차단하는 특성을 나타냈다. 이러한 전환은 단순히 빛을 흡수하는 방식이 아니라, 전기장에 의해 액정 분자의 배열이 변화하면서 발생하는 굴절률 불일치 기반 산란 현상에 의해 이뤄진다. 구동은 약 1.5V/μm 수준의 낮은 전압에서 시작돼 에너지 효율 측면에서도 장점을 갖는 것으로 제시됐다.

이번 연구의 핵심은 양자점 발광을 전류로 직접 구동하지 않고 제어할 수 있는 접근법을 제시했다는 점이다. 연구팀은 PNLC를 광 셔터로 활용해 자외선 또는 청색 여기광의 세기를 전압으로 조절하고, 이를 통해 양자점에 도달하는 여기광의 양을 제어하는 방식으로 양자점 발광 세기를 간접적으로 조절하는 데 성공했다.

연구팀은 녹색 약 530nm와 적색 약 630nm 양자점 모두에서 최대 약 92~97%에 이르는 높은 발광 변조율을 달성했다. 또한 밀리초 수준의 빠른 응답 속도와 안정적인 반복 동작 특성도 확인했다.

이는 양자점 층에 직접 전류를 주입하지 않는 비접촉식 발광 제어 방식이다. 기존 양자점 발광 소자에서 전류 구동 과정이 갖는 한계를 줄이면서, 전압 제어와 광 셔터 구조를 결합해 발광을 조절했다는 점에서 기존 방식과 차별화된다.

연구팀은 이러한 결과를 바탕으로 새로운 디스플레이 구조인 QD-LCD 개념을 제안했다. 기존 QD-OLED는 블루 OLED의 낮은 효율, 번인 현상, 색 필터 사용에 따른 광 손실, 수명 문제 등의 한계를 갖고 있다. 반면 이번에 제안된 구조는 LED 백라이트와 PNLC 광 셔터, 양자점 색변환층을 결합한 형태다.

연구팀이 제안한 QD-LCD는 더 높은 밝기와 긴 수명, 낮은 구동 전압, 색 필터 없이도 높은 색 순도를 구현할 수 있는 가능성을 제시한다. 전류가 아닌 전압으로 여기광을 제어하고, 양자점 발광을 간접 조절하는 방식이어서 기존 OLED 기반 구조의 한계를 보완할 수 있는 접근으로 평가된다.

이번 기술은 디스플레이 분야를 넘어 스마트 윈도우와 광 제어 소자 등으로도 응용 가능성이 있다. 자외선과 가시광 영역을 동시에 제어할 수 있기 때문에 건물 에너지 절감과 실내 환경 개선을 위한 스마트 윈도우 기술로 활용될 수 있으며, 향후 적응형 광학 소자와 차세대 광전자 시스템으로의 확장 가능성도 제시됐다.

김민수 연구교수는 “전류 구동으로 인해 발생할 수 있는 한계점을 근본적으로 극복할 수 있는 전압 구동 기술에 주목해야 한다”며 “액정 기반 광 제어 기술과 양자점 발광 기술을 하나의 시스템으로 통합하여, 전기 신호를 통해 빛을 간접적으로 제어하는 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 학문적 및 산업적 의미가 크다”고 말했다.

이번 연구에는 아르차나 라마다스 박사과정생과 파테카리 망게시 박사과정생이 참여했다. 연구는 교육부 BK21-FOUR 나노융복합에너지혁신소재부품인재양성사업단과 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 전자 분야 국제 학술지 npj Flexible Electronics 최신호에 게재됐다. 논문명은 ‘Electrically tunable UV–visible modulation and voltage-controlled quantum dot emission via polymer network liquid crystals’다.

이번 성과는 액정 기반 광 제어 기술과 양자점 발광 기술을 결합해 전압으로 빛의 투과와 산란, 양자점 발광 세기를 조절하는 광소자 플랫폼을 구현했다는 점에서 의미가 있다. 전북대 연구팀은 QD-LCD 개념을 통해 차세대 디스플레이와 스마트 윈도우, 적응형 광학 소자 등 다양한 광전자 응용 분야로의 확장 가능성을 제시했다.

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