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초청논문(Invited Paper)

2024; 35(3): 95-106

Published online June 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.3.095

Copyright © Optical Society of Korea.

Study on Quantum Dot Components and Their Use in High Color Rendering Lighting

Jae-Hyeon Ko

양자점 부품과 이를 활용한 고연색성 조명 연구

고재현

School of Semiconductor∙Display Technology, Nano Convergence Technology Center, Hallym University, Gangwon 24252, Korea

한림대학교 반도체ㆍ디스플레이스쿨 나노융합기술연구소 ㉾ 24252 강원도 춘천시 한림대학길 1

Correspondence to:hwangko@hallym.ac.kr, ORCID: 0000-0001-7766-2385

Received: May 7, 2024; Revised: May 23, 2024; Accepted: May 25, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

In the 21st century, white light-emitting diodes (LEDs) are widely used as backlighting for liquid crystal displays and as a light source for general illumination. However, white LEDs used in lighting often use a single yellow phosphor on top of a blue LED chip, which lacks the ability to reproduce natural colors in objects under conventional illumination accurately. Recently, researchers have been actively working on realizing high color-rendering lighting by incorporating red quantum dots to improve the spectrum in the long-wavelength band, which is deficient in conventional white LEDs. In particular, how to develop and apply remote quantum dot components to ensure long-term reliability is currently under active research. This paper introduces recent research on remote quantum dot components and the current status of developing high color-rendering lightings with them. Especially, we focus on various factors that are important to consider in optimizing the optical structure of the quantum dot components and discuss the future directions and prospects of research for high color-rendering lighting technology.

Keywords: Color rendering index, Quantum dot, Light emitting diode

OCIS codes: (120.2040) Displays; (220.2945) Illumination design; (230.3670) Light-emitting diodes; (330.1715) Color, rendering and metamerism

조명의 역사를 돌이켜 보면, 대부분의 기간 동안 인류는 화학적 연소 과정에 동반되어 발생하는 빛을 이용했다. 서양의 양초, 오일램프, 가스등, 그리고 동양의 등잔 등이 그 대표적인 예시이다. 가스등은 가스 추출장치, 저장고, 가스 공급망과 램프 등 일정한 체계를 갖춘 최초의 조명 시스템으로 19세기 서양의 대도시를 중심으로 광범위하게 활용되었다. 이후 아크 방전을 이용하는 아크등, 필라멘트의 가열로 생성되는 백열광을 이용하는 백열등, 방전 플라즈마에서 방출되는 자외선을 형광물질을 이용해 가시광선으로 변환하는 형광등 등 다양한 전등이 20세기 인류의 밤을 밝혔다.

반면 21세기는 2014년 노벨물리학상의 수상으로 상징되듯이 고체 발광다이오드(light emitting diode, LED), 즉 반도체 광원의 시대다[1]. 당시 노벨상 수상자인 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지는 1990년대 초 청색 LED를 발명함으로써 새로운 방법으로 백색광을 구현하는 혁신적 기술의 기초를 다졌다. 청색 LED의 발명에 이어 현재 광범위하게 사용되는 백색 LED는 InGaN 계열 청색 LED 위에 파장 변환 물질인 형광체를 올림으로써 백색을 구현한다[2]. 이때 사용되는 파장 변환 물질로는 황색 형광체인 YAG (Y3Al5O12:Ce3+)가 대표적이다. LED는 오늘날 조명의 새로운 흐름으로 확고히 자리잡았고 디스플레이 및 일반 조명, 차량용 조명, 가로등, 경관 조명에 이르기까지 광범위한 분야에서 급속히 응용 범위를 확대하고 있다.

디스플레이 분야에서 또한 액정표시장치(liquid crystal display, LCD)의 백라이트용 조명으로 청색 LED 칩에 형광체가 도포된 유형의 백색 LED가 주로 사용된다. LCD는 비자발광 디스플레이의 대표적 예로서 항상 후면에서 백색광을 공급하는 백라이트가 필요하다. 이러한 백색 LED의 채택으로 인해 소비전력을 줄인 박형 LCD가 구현됨으로써 LCD는 plasma display panel (PDP)과의 경쟁에서 이기고 평판형 디스플레이의 주류가 될 수 있었다. 또한 LED는 일반 조명용 광원으로서도 장수명, 저전력, 다양한 설계 자유도 등 많은 장점을 가지고 있어 빠른 속도로 기존의 조명을 대체하고 있다.

그러나 yttrium aluminium garnet (YAG)로 대표되는 황색 형광체를 적용한 백색 LED의 스펙트럼은 장파장의 심홍색(deep red) 성분이 부족해 색순도(color purity)가 높은 적색을 표현하기 힘들다는 단점 또한 가지고 있다. 디스플레이가 구현할 수 있는 색상의 범위를 나타내는 색역(color gamut)은 화소의 삼원색이 갖는 색순도에 의해 결정되기 때문에 심홍색 성분이 부족한 백색 LED는 LCD의 색역 확대의 걸림돌이 되었다. 일반 조명의 관점에서도 적색 성분이 부족한 빛은 물체의 색을 자연스럽게 연출하기 어렵다.

따라서 이를 보완하기 위해 근래에는 황색 형광체 대신 적색 및 녹색 형광체를 혼합해 사용하는 방법이 보편화되고 있다[3-8]. 현재 LCD 제품에 활용되는 백라이트용 백색 LED는 대부분 충분한 색역을 확보하기 위해 두 종류의 형광체를 이용함으로써 백색을 구현한다. 백색 LED의 한계를 보완하기 위한 방법으로 형광체 대신 파장 변환 물질로 양자점(quantum dot, QD)을 사용하는 방법 또한 제시되었다. 양자점은 나노미터 크기의 반도체 재료를 일컫는 용어로서, 2023년 노벨화학상 수상자들이 연구한 주제로도 알려져 있다. 양자점은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)[9]에 의해 흥미로운 물리적, 화학적 성질이 발현되기 때문에 지난 반세기 동안 활발한 연구가 이루어졌다[10-21]. 일반적인 화합물 재료는 InxGa1-xN처럼 화학적 조성의 변화에 따라 특성이 변하지만, 양자점은 그 외에도 크기에 따라서 특성을 조정할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 용액법을 이용하는 단순하고 저렴한 합성 방법, 발광 스펙트럼이 좁아 색순도를 높일 수 있다는 장점 등으로 인해 기초 연구에 더해 산업적 응용 연구도 매우 활발하다.

21세기 들어 양자점이 가장 대규모로 사용되고 있는 분야는 디스플레이 분야다[22-27]. 흔히 QLED라 불리는 디스플레이의 Q는 양자점(QD)의 Q를 나타낸다. 이 기술은 사실 LCD의 한 종류지만, 백라이트의 광원으로 백색 LED 대신 청색 LED가 사용되며 청색광으로 여기되는 양자점이 필름 형태로 들어가기 때문에 흔히 양자점 디스플레이로 착각되기도 한다. QLED의 양자점 필름 속에는 청색광을 흡수하고 녹색 혹은 적색광을 방출하는 두 종류의 양자점이 삽입되어 있는데, 양자점 발광 스펙트럼의 높은 색순도로 인해 QLED 타입 LCD가 구현할 수 있는 색상의 범위는 무척 넓다. 양자점이 사용된 또 다른 디스플레이의 예로 최근 출시된 하이브리드 타입의 디스플레이는 후면에 청색 organic light emitting diode (OLED)를 설치하고, 화소(pixel) 내 부화소(subpixel)에 녹색 및 적색 양자점을 배치한 구조로 설계되었다.

최근 양자점을 조명의 광특성 개선에 활용하기 위한 연구도 활발하다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반 백색 LED는 YAG 등 황색 형광체가 사용되기 때문에 장파장의 적색 성분이 부족하다. 따라서 물체의 색감을 자연스럽게 연출하는 능력, 즉 연색성(color rendering property)이 충분히 높지 않다. 이를 보완하기 위해 적색 양자점을 보조적인 파장 변환 물질로 사용한 고연색성 백색 LED의 광특성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[13,17,21]. 그러나 양자점은 열이나 수분 등 주변 환경에 취약하기 때문에, 장기신뢰성이 확보된 원격(remote) 양자점 부품으로 사용하는 방식이 일반적이다[28-34]. 앞서 설명한 QLED 타입의 LCD 백라이트에 들어가는 양자점 필름도 일종의 원격 양자점 부품에 해당한다.

본 논문에서는 양자점의 기본적인 특성을 간략히 정리한 후, 원격 양자점 부품의 대표적인 몇 가지 사례를 살펴보고 이를 일반 조명에 적용한 연구 결과를 다루려 한다. 특히 양자점 부품의 조명 적용 시 중요하게 고려해야 하는 광학적 요소들을 정리하며 이를 통해 광구조 최적화를 달성한 연구 사례들을 소개하였다. 이 과정에서 연색성과 광효율 등 조명이 갖춰야 하는 중요 특성들이 광구조의 변화에 따라 어떻게 달라지는지도 함께 논의한다. 지면 관계상 본 논문에는 저자의 선행 연구에 대해 집중적으로 다루고, 여타 선행 연구는 참고문헌을 통해 소개한다.

2.1. 양자점의 특성

양자점은 수 nm 정도의 지름을 가진 나노 반도체 물질군을 일컫는다. 벌크(bulk) 반도체의 에너지 띠틈(energy bandgap)은 해당 고체의 고유한 속성인데, 반도체의 크기를 수 nm 정도로 줄이면 양자 구속 효과에 의해 양자점의 에너지 띠틈이 커진다. 이때 가전자대(valence band)의 전자 하나가 전도대(conduction band)로 올라가면 전도대의 음의 전자와 가전자대의 양의 정공이 전기력에 의해 약하게 결합하는데, 이를 엑시톤(exciton)이라 부르고 이들이 서로에 묶여서 형성하는 궤도의 반경을 보어(Bohr) 반지름이라 한다. 양자 구속 효과는 양자점의 크기가 보어 반지름보다 작아지면 더 현저히 나타난다. 이에 따라 양자점의 크기가 줄면 여기된 전자가 내려오며 방출하는 광자의 에너지가 커지고 파장이 줄어든다[35,36]. 즉 양자점의 크기를 조절해서 가시광선 대역의 빛을 모두 구현할 가능성이 생기는 것이다.

양자점이 방출하는 빛의 장점은 스펙트럼의 폭이 좁다는 것으로 양자점의 이러한 높은 색순도를 이용하면 디스플레이의 화질을 개선할 수도 있고, 양자점의 적절한 조합을 통해 발광 스펙트럼을 미세 조정하는 것도 가능하다.

그런데 양자점은 일반적인 고체와 다르게 부피 대비 표면적의 비가 매우 높다. 따라서 표면이 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향이 매우 크다[37]. 예를 들어 양자점에서 화학 결합에 참여하지 못한 전자 등의 표면 결함은 엑시톤의 에너지를 비복사적 과정을 통해 소멸시킴으로써 양자점의 발광 효율을 크게 떨어뜨린다. 아울러 표면의 결함에 붙들린 전하들이 외부의 화합물이나 산소와 반응해 양자점의 발광 기능이 손상되기도 한다.

따라서 양자점은 일반적으로 내부 코어(core)의 주변에 껍질(shell)이 형성된 코어-껍질 구조로 제작한다. 껍질의 바깥에는 제조 공정 중 양자점의 효과적인 분산을 위해 형성하는 리간드(ligand)라는 구조물이 붙어 있다. 껍질과 리간드는 양자점의 열적, 광적, 화학적 안정성을 향상시킴과 동시에 엑시톤을 코어 내부에 가두어 손실을 방지하고 발광 효율을 높이는 기능도 담당한다.

2.2. 원격 양자점 부품

양자점의 신뢰성을 높이기 위해 양자점을 발광원(청색 LED) 위에 직접 코팅하는 대신 고분자와 같은 모체(matrix) 속에 분산한 원격 부품으로 가공하는 방법이 활발히 연구되었다. 이번 절에서는 최근 연구되어 사용된 바 있는 조명 원격 양자점 부품의 제작 과정과 구조에 대해 소개하고자 한다[38-40].

그림 1(a)와 1(b)는 각각 양자점 필름 및 양자점 캡을 제조, 합성하는 방법을 기술한 개략도다[38-40]. 모체 내 양자점을 균일하게 분산하기 위해서는 적절한 분산제가 필요한데, 해당 연구에서는 분산제로 크기가 약 50 nm 정도인 비정형 실리카(SG-HS40; Sukgyung AT Co., Ansan, Korea)를 활용하여 CdSe/ZnS 코어/껍질 구조의 양자점과 혼합하였다. 그림 1(a)의 투과전자현미경 사진을 보면 실리카의 내외 표면에 양자점이 비교적 균일하게 퍼져 있음을 알 수 있고, 이는 양자점의 열적 안정성과 습기 및 산소에 대한 저항성을 증가시킨다. 사용된 QD는 약 6 nm 직경이며 파장 630 nm 부근에서 발광 피크를 나타냈다.

Figure 1.Schematic diagram of the fabrication process of (a) a quantum dot (QD) film and (b) a QD cap. The fabricated film and cap are shown in the photos.

QD 필름은 트리아진(triazine) 에폭시에 양자점을 넣고 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로 polyethylene terephthalate (PET) 기판 위에 코팅해 제작했다. 제작한 양자점 필름에 자외선을 조사한 사진을 그림 1(a) 우측 상단에 나타내었는데, 선명한 적색광이 방출됨을 볼 수 있다. 비정형 실리카를 도입한 이 기법은 양자점 필름에 별도의 배리어(barrier) 층을 도입하지 않아도 장기 신뢰성이 충분히 보장된다[41]. 그림 1(b)는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 기반 소프트 몰드(soft mold)를 이용해 제작한 양자점 캡의 제작 과정 및 제작된 양자점 캡의 모습과 이를 청색 LED 위에 올렸을 때 방출되는 자주색 빛의 발광 모습을 보여준다. 두 원격 양자점 부품의 제작 과정은 [38-41]에 상세히 소개되어 있다.

3.1. 양자점의 조명 적용 사례

3.1.1. LCD 백라이트

현재 양자점이 가장 대규모로 적용된 상용화 사례는 바로 LCD의 백라이트다. LCD는 화면에서 스스로 빛을 내지 못하는 비자발광 디스플레이의 대표적 예로서 후면의 백라이트가 공급하는 백색광을 활용해 영상 정보를 구현한다. LCD의 액정 패널은 두 장의 편광판과 그 사이에 삽입된 복굴절 물질인 액정의 조합을 통해 화소 내 적록청(red, green, blue; RGB) 부화소별 밝기를 조절하고, 컬러 필터(color filter)를 이용해 밝기가 조절된 백색광의 색을 바꾼다[42]. 즉 RGB 삼원색의 상대적인 밝기비를 조절해 화소의 색상과 밝기를 자유롭게 구현할 수 있다. 이를 위해 백라이트는 매우 밝고 균일한 2차원 백색광을 액정 패널에 공급해야만 한다.

기존에 보편적으로 사용되었던 백라이트용 광원인 백색 LED는 청색 LED와 황색 형광체의 조합으로 백색을 구현하는데, 이 방식은 초기 LED 백라이트와 일반 조명에서 사용하기 시작했다. 그림 2(a)는 전형적인 백색 LED의 발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 파장 450 nm 부근의 청색 스펙트럼과 장파장의 넓은 황색광 스펙트럼으로 구성되어 있다. 이 빛이 액정 패널의 컬러 필터를 거쳐 삼원색으로 분리되는데, 그러면 녹색과 적색에 대응되는 빛의 스펙트럼도 함께 폭이 넓어지므로 색의 순도(color purity)가 낮아지는 문제점이 발생한다.

Figure 2.Emission spectra of (a) a conventional white light emitting diode (LED) with a yellow phosphor and (b) a white LED with green and red phosphors.

디스플레이 삼원색의 순도는 해당 디스플레이가 구현할 수 있는 색상의 영역, 즉 색역을 결정한다. 색역은 1931 색도도(chromaticity diagram) 상에 찍힌 삼원색의 색좌표(color coordinates)로 만들어지는 삼각형의 면적을 National Television System Committee (NTSC) 기준 면적과 비교해서 비율(%)로 환산해 표현한다. 삼원색의 스펙트럼이 넓어지면 순도가 감소하고, 삼각형의 면적이 줄어들며, 색역도 작아진다. 이런 면에서 넓은 황색 스펙트럼을 갖는 백색 LED의 스펙트럼은 색역의 확장에 불리하다.

이를 보완하기 위해 최근의 LCD는 황색 형광체 대신 적록 형광체를 섞어 청색 LED와 조합한 방식의 백색 LED를 사용하는데[43], 그림 2(b)에 이것의 예를 제시하였다. 순서대로 청색 LED에 의해 만들어진 한 개의 발광 피크와 적록 형광체가 만드는 두 개의 발광 피크가 보이는데, 이는 컬러 필터를 통과한 후 형성되는 삼원색의 색순도를 높여 디스플레이의 색역을 키우는 데 기여한다. 흔히 LED TV라 부르는 방식의 디스플레이가 이러한 방식으로 제작되는 대표적인 예시로, 화면은 LCD 패널이지만 백라이트에 백색 LED 광원을 조합하여 제작한다.

양자점은 날카로운 발광 스펙트럼을 가지고 있어 색역의 확장에 유리하다. 양자점은 형광체처럼 청색 LED 위에 코팅해 사용할 수도 있지만, 일반적으로는 고온이나 산소, 수분에 의한 열화를 방지하기 위해 원격 부품으로 가공해 사용한다. 상용화된 양자점 백라이트 내에는 양자점이 필름의 형태로 들어간다. 그림 3(a)와 3(b)에 양자점 백라이트의 개략도 및 전형적인 스펙트럼의 예를 각각 제시하였다. 이 그림에서 볼 수 있는 것처럼 양자점 백라이트는 청색 LED를 광원으로 활용하고, 적록 양자점이 포함된 원격 양자점 필름을 도광판(light guide plate, LGP)과 LCD 패널 사이에 배치한다. 백라이트의 스펙트럼을 보면 청색 LED의 단파장 피크와 적록 양자점이 방출한 두 피크가 중첩되어 날카로운 세 개의 피크를 구성함을 알 수 있다. 이들이 컬러 필터를 통과하면 삼원색의 색순도가 상당히 높아지며 색역이 향상될 것으로 예상된다[44-46]. 그림 3(c)는 색도도 상에 NTSC의 기준 색역 및 InP 계열 적록 양자점 필름이 적용된 LCD의 색역을 함께 표시했다. 삼각형의 면적을 NTSC 기준 색역과 비교해 계산한 결과 양자점 백라이트를 장착한 LCD의 색역이 NTSC의 99.9%임을 확인할 수 있었다.

Figure 3.Quantum dot (QD)-based backlight: (a) a cross-sectional view, (b) a typical emission spectrum, and (c) the color gamut on the chromaticity diagram of a typical QD-based edge-lit backlight.

최근 양자점 백라이트는 미니 청색 LED 배열과 결합해 LCD의 명암비(contrast ratio)를 높이는 용도로도 활용된다. 화면 크기에 따라 수천 혹은 수만 개로 배열된 청색 LED는 영상 신호와 연동되어 국소적으로 밝기를 조절하면서 양자점을 여기하기 때문에 명암비가 대폭 개선된다. 가령 검정색을 구현하더라도 기존과 달리 ‘진정한 검정(true black)’색을 구현할 수 있는 것이다. 이런 방식의 백라이트 구동을 적응형 디밍(adaptive dimming) 혹은 국소 디밍(local dimming)이라 한다.

최근에는 양자점을 비자발광 디스플레이의 후면 광원에만 사용하는 것을 넘어 직접 화소에 적용하는 하이브리드형 구조의 디스플레이도 등장했다. 이 디스플레이는 청색 OLED를 후면에 형성하고, RGB 화소 중 RG에 해당하는 부화소에 각각 적록 양자점을 배치한 구조로 청색 OLED의 여기를 통해 RG 부화소에서는 각각 적색 및 녹색광이 만들어지고, B 부화소에서는 OLED의 빛이 그대로 통과되는 방식으로 삼원색을 구현한다. 이 기술은 백라이트와 패널의 조합을 탈피함으로써 자발광 방식을 구현하였기 때문에 미니 LED에 의한 적응형 디밍 영역의 한계를 벗어날 수 있었다. 뿐만 아니라 화소 디밍(pixel dimming)이 가능하고 색역도 넓어 뛰어난 화질을 구현할 수 있다는 장점과 함께 OLED의 유연성에 기반해 플렉서블 디스플레이로 진화할 수 있는 잠재력 또한 갖고 있다[47].

3.1.2. 고연색성 조명

양자점을 조명에 응용하려는 연구는 오래 전부터 이어지고 있는데, 이는 백색 LED의 발광 스펙트럼이 갖는 단점 때문이다. 그림 2(b)에서 확인할 수 있는 것처럼 황색 형광체를 사용한 백색 LED는 장파장의 적색 스펙트럼 성분이 부족하다. 따라서 조명이 사물의 다양한 색상을 연출하는 능력인 연색성이 떨어진다. 국제조명위원회가 정한 표준에 의하면 광원의 연색성은 연색지수(color rendering index, CRI)로 나타내는데, 연색지수는 8개의 정해진 표준 색상을 기준으로 표준광원과 시험광원의 색 측정 결과를 비교해 계산한다[48]. 각 색상별 연색지수를 R1–R8이라고 하는데, 이들의 평균을 일반 연색지수 Ra로 표현한다. 연색지수의 최대값은 100이며, 맑은 날의 태양광이나 연속 스펙트럼을 갖는 백열등의 Ra가 보통 100이다. 또한 경우에 따라 채도가 높은 색상을 포함한 7가지 추가 색상의 개별 연색지수(R9–R15)까지 포함해 총 R1–R15까지 평균을 내어 확장한 연색지수 Re를 활용하기도 한다. 채도가 매우 높은 색상의 제품들이 많이 유통되는 요즘, 확장된 연색지수의 중요성도 커지고 있다.

그림 2(b)와 같은 백색 LED의 연색지수는 조명의 스펙트럼마다 편차가 있지만 보통 80 전후의 수치를 보이고, 채도가 높은 적색에 대한 개별 연색지수 R9은 음의 값을 기록하기도 한다. 이를 개선하기 위해 적색 양자점을 보완적으로 사용하는 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 그 중 하나는 황색 형광체와 적색 양자점을 섞어서 청색 LED 칩 위에 함께 코팅하는 것이다. 이때 파장 변환 물질과 함께 TiO2 등의 굴절률이 높은 산란제를 넣는 것이 중요하다. 산란제는 다중 산란을 유도해 파장 변환 효율을 증가시키고 형광체나 양자점의 사용량을 줄일 수 있으며, 이는 기존의 시뮬레이션[49] 및 실험[50]을 통해 확인되었다. 이 연구에서는 산란제가 증가함에 따라 다중 산란도 늘어나며 황색 형광체와 적색 양자점의 피크가 강화됨을 보고하였고, 백색 LED의 연색지수 Ra와 Re가 각각 94 및 92 이상으로 높게 개선되었다[50].

신뢰성 향상을 위해 형광체와 양자점 모두 원격 타입의 부품으로 제작할 수 있다. 그 예로 황색 형광체 판(plate)과 적색 양자점 필름을 각각 원격 부품으로 제작하였을 때, 적층 구조에 따른 광특성 변화가 보고되기도 했다[51]. 적층 구조에 따른 광특성 변화는 여기광인 청색 LED에 더 가까이 놓인 파장 변환 부품의 여기가 활성화되기 때문에 발생한다. 따라서 발광 효율과 연색지수 두 특성 중 어느 것을 더 중점적으로 고려하는가에 따라 파장변환 부품의 적층 순서를 달리할 수 있다. 발광 효율이 강조되는 조명의 경우 황색 형광체가 청색 LED 위에 배치되는 것이 유리한 반면, 연색지수가 중요할 경우에는 적색 양자점 필름을 청색 LED 위에 배치해야 한다.

또한 황색 형광체 판과 적색 양자점 필름 사이의 공기층 존재 유무에 따라 여기 확률이 달라진다는 사실도 보고되었다[52]. 공기층의 아래에 파장 변환 부품이 위치하면, 빛의 내부전반사로 인해 빛이 아래로 다시 내려가는 비중이 증가하며 파장 변환 효율이 상승한다는 점이 확인된 것이다.

3.2. 원격 양자점 조명 내 광 공동(optical cavity)의 역할

양자점을 조명에 적용하기 위해서는 양자점의 적용 방식과 배치에 대한 세심한 고려가 필요하다. 여기에는 양자점의 장기 신뢰성 확보, 양자점의 색상 변환 효율 증가, 조명의 연색지수 개선 및 광효율의 유지(혹은 최소한의 감소), 그리고 양자점의 사용량 저감을 통한 저비용 달성 등 다양한 측면이 포함된다. 이를 반영하기 위해서는 양자점을 사용한 조명의 광학 구조를 최적화해야 한다. 본 절에서는 직하 방식의 고출력 원형 LED 조명에 양자점 필름을 적용한 사례를 바탕으로 위에서 언급한 다양한 요소가 어떤 방식으로 광학 구조의 설계에 반영되었는지 살펴본다.

그림 4(a)의 왼쪽 사진은 전형적인 고출력 백색 LED의 한 예로서 72개의 백색 LED가 동심원 모양으로 배치되어 있고, 사진에는 보이지 않는 불투명한 확산판이 투광부(조명 덮개)의 역할을 하며 LED의 휘점(bright spot)을 제거한다. 그림 4(b)의 단면도는 고출력 LED 조명 속에 적색 양자점 필름을 배치하는 여섯 가지 구도로, 그림 4(a)의 오른쪽 사진이나 그림 4(b)의 중간 구성처럼 투광부의 상부 혹은 하부에 양자점 필름을 배치하면 투광부와 하부 반사필름이 수직 공동(cavity)을 형성함으로써 빛의 수직 왕복운동을 촉진한다. 이때 반사필름의 반사율, 투광부의 투과율과 반사율이 중요한 역할을 한다. 특히 투광부의 반사율이 높으면 양자점 필름의 여기 확률이 올라가며 우수한 연색성을 얻을 수 있지만[53], 빛의 투과율이 떨어져서 광효율은 감소한다. 이를 보완하기 위해 양자점 필름을 투광부의 위에 배치할 수도 있지만 그 결과 양자점의 색변환 효율이 감소할 뿐만 아니라 시야각에 따른 광 경로 차이로 인해 색도가 균일하지 못할 가능성이 높다[44].

Figure 4.Photos of the three configurations of studied quantum dot (QD) film-based white light emitting diodes (LEDs). (b) Cross-sectional views. (c) Emission spectra of six configurations of LED lighting.

색변환 효율을 높임과 동시에 투광부에 의한 광손실을 줄이는 방법 중 하나는 양자점 필름의 여기에 기여하는 수평 공동을 만드는 것이다[38,39]. 그림 4(a)의 가운데 사진 및 그림 4(b)에서 양자점 필름을 바닥 위에 수직으로 세운 구조인 양자점 벽(QD wall)을 볼 수 있다. 이때 양자점은 보통 반사율이 높은 백색 반사필름 위에 코팅된다. 백색 LED에서 방출된 빛은 투광부-하부 반사판 사이의 수직 공동 및 양자점 벽으로 구성된 수평 공동 내에서 다중 반사되어 적색 양자점의 여기에 기여한다. 이 디자인을 채택한 백색 LED 조명은 우수한 연색지수 및 상대적으로 높은 광효율을 나타내었다[39]. 그림 4(c)그림 4(b)에 나타낸 여섯 가지 조명 구조의 스펙트럼을 비교한 것이다. None을 제외한 원격 양자점 필름을 사용한 다섯 가지 구조에서는 파장 약 630 nm에 적색 양자점에 의한 피크가 형성되며 장파장 영역의 스펙트럼이 보강되었다.

그림 5(a)5(b)는 적색 양자점을 적용하기 전과 bottom+ wall 구조를 적용한 후 조명의 개별 연색지수의 변화 추이를 보여준다. 적색 양자점을 도입한 후 연색지수는 전체적으로 증가하였지만, 그 중에서도 특히 R9의 수치가 약 15에서 95로 큰 폭으로 오른 것을 볼 수 있다. 또한 Ra와 Re가 각각 약 96 및 94 정도로 개선되었으며 이로써 고연색성 조명의 가능성을 보여줬다. 일반적으로 연색성을 증가시키기 위한 적색 성분의 강화는 사람 눈의 명소시(photopic vision) 감도가 낮은 장파장 성분의 비중을 높여 조명의 광효율을 감소시킨다. 따라서 이러한 발광 파장을 정밀하게 조정할 수 있는 양자점의 활용은 시감도가 매우 낮은 파장대로의 스펙트럼 변화를 최소화하고 원하는 파장 영역만 보강함으로써 광효율의 급감을 막으며 동시에 연색지수를 높이는 용도로 활용될 수 있다.

Figure 5.Individual color rendering index (CRI), Ra and Re of a downlighting, high-power white light emitting diode (LED): (a) without any remote quantum dot (QD) components (with only a diffuser plate) and (b) with both a bottom QD film and a QD wall together with a diffuser plate.

백색 LED 조명에서 광 공동을 형성할 때 중요한 요소 중 하나는 반사필름의 반사 성격이다. 통상적으로 조명 내 반사필름으로는 알루미늄 등 정반사 성격의 반사 구조와 백색 PET 등의 확산 반사 구조가 많이 사용된다. LCD 백라이트에 사용되는 집광필름이나 반사형 편광필름과 같은 휘도 향상필름의 성능을 높이기 위해 확산 반사 성격의 필름을 사용하는 것이 중요한데[54], 이와 비슷하게 양자점이 포함된 엣지형 백라이트의 경우에도 확산형 반사 필름을 사용하였을 때 발광 효율 및 색변환 효율이 더 우수했다. 이는 여기 광원인 청색광이 반사필름에서 확산 반사되며 더 넓은 면적의 양자점 필름을 조사하기 때문인 것으로 분석되었으며 실험 및 시뮬레이션을 통해서 확인되었다[46].

조명 내 광 공동에 대해 고려해야 할 또 하나의 요인은 광학필름을 활용한 빛의 재생(recycling) 과정이다. 양자점 필름이 수직 공동 내에 놓이는 경우, 예를 들어 LCD 백라이트에 사용되는 프리즘 필름 1–2매 가량을 상부에 배치하면 매우 강한 공동 효과가 발생한다. 이는 그림 6(a)의 3번 광선의 광경로에서 보이는 것처럼 정각(頂角)이 직각인 프리즘 필름이 아래에서 올라오는 빛의 절반 정도를 내부전반사를 통해 다시 하부로 내려 보내기 때문이다. 이렇게 수직 공동 내 빛의 왕복 운동이 강화되면서 파장변환 물질의 색변환 효율이 올라가고, 이는 다시 연색지수의 개선으로 이어진다[55,56]. 이와 동일하게 그림 6(b)에 나타낸 상부에 프리즘 필름을 한 장 적층한 직하형 백색 LED 조명에서도 집광에 의한 스펙트럼의 상승 효과와 더불어 색변환 효율도 증가한다는 점이 뚜렷이 보인다[56].

Figure 6.(a) Cross-sectional view of the one-dimensional prism film together with three representative rays. n1 and n2 denote the refractive indices of the prism and substrate, respectively. (b) Emission spectra of the white light-emitting diodes (LEDs) with a red quantum dot (QD) film of 5 wt% under two conditions, without and with a prism film.

3.3. 연색성의 가변성 확보

일반 LED 조명은 청색 LED와 황색 형광체의 발광비가 조명의 스펙트럼을 결정하기 때문에 제품을 조립한 후에는 조명의 색감, 즉 상관색온도(correlated color temperature, CCT)를 변경하기 힘들다. 양자점 필름 또한 조명에 투광부나 벽 형태로 고정되고 나면 디자인 변경이 용이하지 않기 때문에 CCT 조절이 어렵다. 이러한 면에서 개별적으로 체결할 수 있는 캡 형태의 원격 양자점 부품은 매력적인 선택지다[40]. 그림 1(b)는 양자점 캡의 제작과정과 실물 사진을 보여주는데 이러한 캡은, 소프트 몰드와 자외선 경화제를 활용해 어렵지 않게 제작할 수 있으며 수십 개의 LED로 구성된 직하형 백색 LED 조명에 다양한 배열로 자유로이 조립할 수 있다[그림 4(a)].

그림 7(a)는 직하형 LED 조명에 결합된 양자점 캡의 몇 가지 배열과 함께 해당 조명의 광특성을, 그림 7(b)는 발광 파장 혹은 함량이 약간 다른 세 종류의 양자점 캡 A-C를 사용한 조명의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 양자점 캡 A와 B는 발광 특성이 거의 동일하나 양자점 캡 C는 장파장 쪽으로 더 넓은 피크를 형성하는 것을 볼 수 있다. 또한 양자점 캡을 사용하면 황색 형광체의 피크 세기가 줄어들면서 파장 620–630 nm 부근 양자점의 세기가 증가한다. 그림 7(c)에서 세 종류의 양자점 캡을 그림 7(a)의 패턴 4처럼 배치한 조명의 CCT를 나타내었는데, CCT가 5,500 K에서 3,400 K까지의 매우 넓은 범위 내에서 조절됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 CCT의 변화에 양자점 캡의 구성 및 수가 영향을 미침을 알 수 있다, 그림 7(d)는 패턴 4로 배열한 양자점 캡 B를 상대적으로 장파장 적색 성분이 강한 양자점 캡 C로 변화시키며 적색광으로의 변환을 촉진함에 따라 색도도 상의 색좌표가 화살표의 방향에 따라 적색 영역으로 이동함을 보여준다. 이와 같이 원격 양자점 부품은 조명 내부의 캡을 손쉽게 분리, 조립할 수 있는 디자인을 채택함으로써 색온도 조절의 자유도를 획득하였다.

Figure 7.(a) Four patterns of quatum dot (QD) caps integrated into a downlighting white light-emitting diode (LED). (b) Emission spectra of three kinds of QD caps denoted as A, B, and C. (c) Correlated color temperature (CCT) of four configurations where the three kinds of QD caps were arranged into a pattern 4. (d) Color coordinates of the white LED where the QD caps B were sequentially replaced with the QD caps C at a number of 0, 4, 10, 22, and 29. The arrow denotes the change in the color coordinates as the number of QD cap C increases.

양자점 캡이 백색 LED를 전체적으로 덮도록 디자인하면 빛이 내부에 갇혀 광효율이 떨어지는 문제가 생긴다. 그러므로 그림 1(b)에 보이는 것처럼 표면의 일부를 통해 내외부가 연결된 개방형 캡 디자인이 일반적이다. 개방형 캡에서는 양자점 캡의 측면 및 상부 일부가 광 공동을 형성하면서 양자점의 색상 변환을 촉진하고, 이렇게 형성된 백색광이 개방된 면을 통해 외부로 빠져나오게 된다. 그러나 양자점 캡의 디자인에 따른 효율을 일일이 테스트하게 되면 몰드를 매 실험마다 새로 제작해야 하는 등 최적화에 시간이 오래 걸릴 뿐더러 소모적이기도 하다. 그렇기에 광학 시뮬레이션을 통한 선행 연구가 매우 중요한 역할을 하는데, [57]에 양자점 캡의 형상을 다양하게 변화시키면서 연색지수와 광효율을 연구한 시뮬레이션 결과가 수록되어 있다. 원격 양자점 부품의 형상, 농도에 따른 분석 결과는 소프트 몰드를 활용한 캡 형상 최적화에 있어 중요한 근거 데이터를 제공하고 개발 시간을 단축한다.

양자점 캡을 사용한 직하형 백색 LED 조명의 투광부도 양자점의 여기에 중요한 역할을 한다[58]. 양자점 캡의 개수와 패턴 변화뿐만 아니라 확산판의 투과율에 의한 공동 효과도 양자점 캡을 사용한 조명의 연색성 및 CCT에 영향을 주기 때문이다. 아울러 양자점 캡과 양자점 필름을 결합한 하이브리드 방식의 조명에 대한 연구 결과도 보고된 바 있다[55]. 이 연구에서는 적절한 양자점 캡의 배열과 측면 경사면에 적층된 양자점 필름, 확산형 반사필름과 프리즘 필름을 결합해 95 이상의 높은 연색지수를 구현할 수 있었다. 이를 통해 연색지수가 낮은 일반 LED 조명에서도 원격 양자점 부품을 적용함으로써 적절한 공동을 형성해 빛의 재생 과정을 촉진하여 100에 가까운 우수한 연색지수를 갖는 고연색성 조명을 구현할 수 있음을 보여주었다. 특히 광구조를 최적화해 색변환 효율을 올리면 적은 양의 양자점으로도 충분한 연색지수를 달성할 수 있어 비용 면에서도 유리하다.

본 논문에서는 최근 활발히 연구되고 있는 원격 양자점 부품 및 이들을 사용한 고연색성 조명의 광구조 최적화에 대한 최신 연구 결과를 정리했다. 특히 양자점 필름과 양자점 캡의 제작 과정 및 적용 사례를 상세히 소개했다. 고연색성 조명의 구현을 위해서는 파장 변환 물질의 색변환 효율이 높아야 하며, 조명 내 광 공동의 강화 및 이를 위한 각 광학 부품의 투과도와 반사도, 반사 특성 등의 최적화가 필요함을 설명하고, 광학 시뮬레이션과 결합된 양자점 조명의 최적화 설계의 다양한 사례를 통해 저비용, 고연색성의 LED 조명 개발이 가능함을 보여주었다.

본 논문에서 설명한 고연색성 조명은 백화점, 박물관, 미술관 등 작품이나 상품의 색상을 충실히 재현해야 하는 공간에서 사용되는 특수 조명뿐만 아니라 COVID-19 팬데믹 등 실내 생활을 주로 하는 경우의 삶의 질 향상을 위한 조명 환경 구축에도 활용될 수 있다. 특히 양자점을 활용하면 발광 스펙트럼의 정교한 제어가 가능하기 때문에 식물생장용 조명을 포함한 다양한 목적의 특수 조명에도 양자점의 활용은 지속적으로 늘어날 것으로 기대된다.

본 연구를 위해 양자점 부품을 제공해 주고 다양한 조언을 해 준 철원플라즈마산업기술연구원, ㈜지엘비젼, ㈜이노큐디에 감사드립니다.

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 얻어 사용 가능하다.

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Article

초청논문(Invited Paper)

2024; 35(3): 95-106

Published online June 25, 2024 https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.3.095

Copyright © Optical Society of Korea.

Study on Quantum Dot Components and Their Use in High Color Rendering Lighting

Jae-Hyeon Ko

School of Semiconductor∙Display Technology, Nano Convergence Technology Center, Hallym University, Gangwon 24252, Korea

Correspondence to:hwangko@hallym.ac.kr, ORCID: 0000-0001-7766-2385

Received: May 7, 2024; Revised: May 23, 2024; Accepted: May 25, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

In the 21st century, white light-emitting diodes (LEDs) are widely used as backlighting for liquid crystal displays and as a light source for general illumination. However, white LEDs used in lighting often use a single yellow phosphor on top of a blue LED chip, which lacks the ability to reproduce natural colors in objects under conventional illumination accurately. Recently, researchers have been actively working on realizing high color-rendering lighting by incorporating red quantum dots to improve the spectrum in the long-wavelength band, which is deficient in conventional white LEDs. In particular, how to develop and apply remote quantum dot components to ensure long-term reliability is currently under active research. This paper introduces recent research on remote quantum dot components and the current status of developing high color-rendering lightings with them. Especially, we focus on various factors that are important to consider in optimizing the optical structure of the quantum dot components and discuss the future directions and prospects of research for high color-rendering lighting technology.

Keywords: Color rendering index, Quantum dot, Light emitting diode

I. 서 론

조명의 역사를 돌이켜 보면, 대부분의 기간 동안 인류는 화학적 연소 과정에 동반되어 발생하는 빛을 이용했다. 서양의 양초, 오일램프, 가스등, 그리고 동양의 등잔 등이 그 대표적인 예시이다. 가스등은 가스 추출장치, 저장고, 가스 공급망과 램프 등 일정한 체계를 갖춘 최초의 조명 시스템으로 19세기 서양의 대도시를 중심으로 광범위하게 활용되었다. 이후 아크 방전을 이용하는 아크등, 필라멘트의 가열로 생성되는 백열광을 이용하는 백열등, 방전 플라즈마에서 방출되는 자외선을 형광물질을 이용해 가시광선으로 변환하는 형광등 등 다양한 전등이 20세기 인류의 밤을 밝혔다.

반면 21세기는 2014년 노벨물리학상의 수상으로 상징되듯이 고체 발광다이오드(light emitting diode, LED), 즉 반도체 광원의 시대다[1]. 당시 노벨상 수상자인 아카사키 이사무, 아마노 히로시, 나카무라 슈지는 1990년대 초 청색 LED를 발명함으로써 새로운 방법으로 백색광을 구현하는 혁신적 기술의 기초를 다졌다. 청색 LED의 발명에 이어 현재 광범위하게 사용되는 백색 LED는 InGaN 계열 청색 LED 위에 파장 변환 물질인 형광체를 올림으로써 백색을 구현한다[2]. 이때 사용되는 파장 변환 물질로는 황색 형광체인 YAG (Y3Al5O12:Ce3+)가 대표적이다. LED는 오늘날 조명의 새로운 흐름으로 확고히 자리잡았고 디스플레이 및 일반 조명, 차량용 조명, 가로등, 경관 조명에 이르기까지 광범위한 분야에서 급속히 응용 범위를 확대하고 있다.

디스플레이 분야에서 또한 액정표시장치(liquid crystal display, LCD)의 백라이트용 조명으로 청색 LED 칩에 형광체가 도포된 유형의 백색 LED가 주로 사용된다. LCD는 비자발광 디스플레이의 대표적 예로서 항상 후면에서 백색광을 공급하는 백라이트가 필요하다. 이러한 백색 LED의 채택으로 인해 소비전력을 줄인 박형 LCD가 구현됨으로써 LCD는 plasma display panel (PDP)과의 경쟁에서 이기고 평판형 디스플레이의 주류가 될 수 있었다. 또한 LED는 일반 조명용 광원으로서도 장수명, 저전력, 다양한 설계 자유도 등 많은 장점을 가지고 있어 빠른 속도로 기존의 조명을 대체하고 있다.

그러나 yttrium aluminium garnet (YAG)로 대표되는 황색 형광체를 적용한 백색 LED의 스펙트럼은 장파장의 심홍색(deep red) 성분이 부족해 색순도(color purity)가 높은 적색을 표현하기 힘들다는 단점 또한 가지고 있다. 디스플레이가 구현할 수 있는 색상의 범위를 나타내는 색역(color gamut)은 화소의 삼원색이 갖는 색순도에 의해 결정되기 때문에 심홍색 성분이 부족한 백색 LED는 LCD의 색역 확대의 걸림돌이 되었다. 일반 조명의 관점에서도 적색 성분이 부족한 빛은 물체의 색을 자연스럽게 연출하기 어렵다.

따라서 이를 보완하기 위해 근래에는 황색 형광체 대신 적색 및 녹색 형광체를 혼합해 사용하는 방법이 보편화되고 있다[3-8]. 현재 LCD 제품에 활용되는 백라이트용 백색 LED는 대부분 충분한 색역을 확보하기 위해 두 종류의 형광체를 이용함으로써 백색을 구현한다. 백색 LED의 한계를 보완하기 위한 방법으로 형광체 대신 파장 변환 물질로 양자점(quantum dot, QD)을 사용하는 방법 또한 제시되었다. 양자점은 나노미터 크기의 반도체 재료를 일컫는 용어로서, 2023년 노벨화학상 수상자들이 연구한 주제로도 알려져 있다. 양자점은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)[9]에 의해 흥미로운 물리적, 화학적 성질이 발현되기 때문에 지난 반세기 동안 활발한 연구가 이루어졌다[10-21]. 일반적인 화합물 재료는 InxGa1-xN처럼 화학적 조성의 변화에 따라 특성이 변하지만, 양자점은 그 외에도 크기에 따라서 특성을 조정할 수 있다는 장점이 있다. 게다가 용액법을 이용하는 단순하고 저렴한 합성 방법, 발광 스펙트럼이 좁아 색순도를 높일 수 있다는 장점 등으로 인해 기초 연구에 더해 산업적 응용 연구도 매우 활발하다.

21세기 들어 양자점이 가장 대규모로 사용되고 있는 분야는 디스플레이 분야다[22-27]. 흔히 QLED라 불리는 디스플레이의 Q는 양자점(QD)의 Q를 나타낸다. 이 기술은 사실 LCD의 한 종류지만, 백라이트의 광원으로 백색 LED 대신 청색 LED가 사용되며 청색광으로 여기되는 양자점이 필름 형태로 들어가기 때문에 흔히 양자점 디스플레이로 착각되기도 한다. QLED의 양자점 필름 속에는 청색광을 흡수하고 녹색 혹은 적색광을 방출하는 두 종류의 양자점이 삽입되어 있는데, 양자점 발광 스펙트럼의 높은 색순도로 인해 QLED 타입 LCD가 구현할 수 있는 색상의 범위는 무척 넓다. 양자점이 사용된 또 다른 디스플레이의 예로 최근 출시된 하이브리드 타입의 디스플레이는 후면에 청색 organic light emitting diode (OLED)를 설치하고, 화소(pixel) 내 부화소(subpixel)에 녹색 및 적색 양자점을 배치한 구조로 설계되었다.

최근 양자점을 조명의 광특성 개선에 활용하기 위한 연구도 활발하다. 앞서 설명한 바와 같이, 일반 백색 LED는 YAG 등 황색 형광체가 사용되기 때문에 장파장의 적색 성분이 부족하다. 따라서 물체의 색감을 자연스럽게 연출하는 능력, 즉 연색성(color rendering property)이 충분히 높지 않다. 이를 보완하기 위해 적색 양자점을 보조적인 파장 변환 물질로 사용한 고연색성 백색 LED의 광특성에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[13,17,21]. 그러나 양자점은 열이나 수분 등 주변 환경에 취약하기 때문에, 장기신뢰성이 확보된 원격(remote) 양자점 부품으로 사용하는 방식이 일반적이다[28-34]. 앞서 설명한 QLED 타입의 LCD 백라이트에 들어가는 양자점 필름도 일종의 원격 양자점 부품에 해당한다.

본 논문에서는 양자점의 기본적인 특성을 간략히 정리한 후, 원격 양자점 부품의 대표적인 몇 가지 사례를 살펴보고 이를 일반 조명에 적용한 연구 결과를 다루려 한다. 특히 양자점 부품의 조명 적용 시 중요하게 고려해야 하는 광학적 요소들을 정리하며 이를 통해 광구조 최적화를 달성한 연구 사례들을 소개하였다. 이 과정에서 연색성과 광효율 등 조명이 갖춰야 하는 중요 특성들이 광구조의 변화에 따라 어떻게 달라지는지도 함께 논의한다. 지면 관계상 본 논문에는 저자의 선행 연구에 대해 집중적으로 다루고, 여타 선행 연구는 참고문헌을 통해 소개한다.

II. 양자점의 특성 및 원격 양자점 부품

2.1. 양자점의 특성

양자점은 수 nm 정도의 지름을 가진 나노 반도체 물질군을 일컫는다. 벌크(bulk) 반도체의 에너지 띠틈(energy bandgap)은 해당 고체의 고유한 속성인데, 반도체의 크기를 수 nm 정도로 줄이면 양자 구속 효과에 의해 양자점의 에너지 띠틈이 커진다. 이때 가전자대(valence band)의 전자 하나가 전도대(conduction band)로 올라가면 전도대의 음의 전자와 가전자대의 양의 정공이 전기력에 의해 약하게 결합하는데, 이를 엑시톤(exciton)이라 부르고 이들이 서로에 묶여서 형성하는 궤도의 반경을 보어(Bohr) 반지름이라 한다. 양자 구속 효과는 양자점의 크기가 보어 반지름보다 작아지면 더 현저히 나타난다. 이에 따라 양자점의 크기가 줄면 여기된 전자가 내려오며 방출하는 광자의 에너지가 커지고 파장이 줄어든다[35,36]. 즉 양자점의 크기를 조절해서 가시광선 대역의 빛을 모두 구현할 가능성이 생기는 것이다.

양자점이 방출하는 빛의 장점은 스펙트럼의 폭이 좁다는 것으로 양자점의 이러한 높은 색순도를 이용하면 디스플레이의 화질을 개선할 수도 있고, 양자점의 적절한 조합을 통해 발광 스펙트럼을 미세 조정하는 것도 가능하다.

그런데 양자점은 일반적인 고체와 다르게 부피 대비 표면적의 비가 매우 높다. 따라서 표면이 전기적, 광학적 특성에 미치는 영향이 매우 크다[37]. 예를 들어 양자점에서 화학 결합에 참여하지 못한 전자 등의 표면 결함은 엑시톤의 에너지를 비복사적 과정을 통해 소멸시킴으로써 양자점의 발광 효율을 크게 떨어뜨린다. 아울러 표면의 결함에 붙들린 전하들이 외부의 화합물이나 산소와 반응해 양자점의 발광 기능이 손상되기도 한다.

따라서 양자점은 일반적으로 내부 코어(core)의 주변에 껍질(shell)이 형성된 코어-껍질 구조로 제작한다. 껍질의 바깥에는 제조 공정 중 양자점의 효과적인 분산을 위해 형성하는 리간드(ligand)라는 구조물이 붙어 있다. 껍질과 리간드는 양자점의 열적, 광적, 화학적 안정성을 향상시킴과 동시에 엑시톤을 코어 내부에 가두어 손실을 방지하고 발광 효율을 높이는 기능도 담당한다.

2.2. 원격 양자점 부품

양자점의 신뢰성을 높이기 위해 양자점을 발광원(청색 LED) 위에 직접 코팅하는 대신 고분자와 같은 모체(matrix) 속에 분산한 원격 부품으로 가공하는 방법이 활발히 연구되었다. 이번 절에서는 최근 연구되어 사용된 바 있는 조명 원격 양자점 부품의 제작 과정과 구조에 대해 소개하고자 한다[38-40].

그림 1(a)와 1(b)는 각각 양자점 필름 및 양자점 캡을 제조, 합성하는 방법을 기술한 개략도다[38-40]. 모체 내 양자점을 균일하게 분산하기 위해서는 적절한 분산제가 필요한데, 해당 연구에서는 분산제로 크기가 약 50 nm 정도인 비정형 실리카(SG-HS40; Sukgyung AT Co., Ansan, Korea)를 활용하여 CdSe/ZnS 코어/껍질 구조의 양자점과 혼합하였다. 그림 1(a)의 투과전자현미경 사진을 보면 실리카의 내외 표면에 양자점이 비교적 균일하게 퍼져 있음을 알 수 있고, 이는 양자점의 열적 안정성과 습기 및 산소에 대한 저항성을 증가시킨다. 사용된 QD는 약 6 nm 직경이며 파장 630 nm 부근에서 발광 피크를 나타냈다.

Figure 1. Schematic diagram of the fabrication process of (a) a quantum dot (QD) film and (b) a QD cap. The fabricated film and cap are shown in the photos.

QD 필름은 트리아진(triazine) 에폭시에 양자점을 넣고 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정으로 polyethylene terephthalate (PET) 기판 위에 코팅해 제작했다. 제작한 양자점 필름에 자외선을 조사한 사진을 그림 1(a) 우측 상단에 나타내었는데, 선명한 적색광이 방출됨을 볼 수 있다. 비정형 실리카를 도입한 이 기법은 양자점 필름에 별도의 배리어(barrier) 층을 도입하지 않아도 장기 신뢰성이 충분히 보장된다[41]. 그림 1(b)는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 기반 소프트 몰드(soft mold)를 이용해 제작한 양자점 캡의 제작 과정 및 제작된 양자점 캡의 모습과 이를 청색 LED 위에 올렸을 때 방출되는 자주색 빛의 발광 모습을 보여준다. 두 원격 양자점 부품의 제작 과정은 [38-41]에 상세히 소개되어 있다.

III. 양자점 조명의 광구조 최적화

3.1. 양자점의 조명 적용 사례

3.1.1. LCD 백라이트

현재 양자점이 가장 대규모로 적용된 상용화 사례는 바로 LCD의 백라이트다. LCD는 화면에서 스스로 빛을 내지 못하는 비자발광 디스플레이의 대표적 예로서 후면의 백라이트가 공급하는 백색광을 활용해 영상 정보를 구현한다. LCD의 액정 패널은 두 장의 편광판과 그 사이에 삽입된 복굴절 물질인 액정의 조합을 통해 화소 내 적록청(red, green, blue; RGB) 부화소별 밝기를 조절하고, 컬러 필터(color filter)를 이용해 밝기가 조절된 백색광의 색을 바꾼다[42]. 즉 RGB 삼원색의 상대적인 밝기비를 조절해 화소의 색상과 밝기를 자유롭게 구현할 수 있다. 이를 위해 백라이트는 매우 밝고 균일한 2차원 백색광을 액정 패널에 공급해야만 한다.

기존에 보편적으로 사용되었던 백라이트용 광원인 백색 LED는 청색 LED와 황색 형광체의 조합으로 백색을 구현하는데, 이 방식은 초기 LED 백라이트와 일반 조명에서 사용하기 시작했다. 그림 2(a)는 전형적인 백색 LED의 발광 스펙트럼을 나타낸 것으로, 파장 450 nm 부근의 청색 스펙트럼과 장파장의 넓은 황색광 스펙트럼으로 구성되어 있다. 이 빛이 액정 패널의 컬러 필터를 거쳐 삼원색으로 분리되는데, 그러면 녹색과 적색에 대응되는 빛의 스펙트럼도 함께 폭이 넓어지므로 색의 순도(color purity)가 낮아지는 문제점이 발생한다.

Figure 2. Emission spectra of (a) a conventional white light emitting diode (LED) with a yellow phosphor and (b) a white LED with green and red phosphors.

디스플레이 삼원색의 순도는 해당 디스플레이가 구현할 수 있는 색상의 영역, 즉 색역을 결정한다. 색역은 1931 색도도(chromaticity diagram) 상에 찍힌 삼원색의 색좌표(color coordinates)로 만들어지는 삼각형의 면적을 National Television System Committee (NTSC) 기준 면적과 비교해서 비율(%)로 환산해 표현한다. 삼원색의 스펙트럼이 넓어지면 순도가 감소하고, 삼각형의 면적이 줄어들며, 색역도 작아진다. 이런 면에서 넓은 황색 스펙트럼을 갖는 백색 LED의 스펙트럼은 색역의 확장에 불리하다.

이를 보완하기 위해 최근의 LCD는 황색 형광체 대신 적록 형광체를 섞어 청색 LED와 조합한 방식의 백색 LED를 사용하는데[43], 그림 2(b)에 이것의 예를 제시하였다. 순서대로 청색 LED에 의해 만들어진 한 개의 발광 피크와 적록 형광체가 만드는 두 개의 발광 피크가 보이는데, 이는 컬러 필터를 통과한 후 형성되는 삼원색의 색순도를 높여 디스플레이의 색역을 키우는 데 기여한다. 흔히 LED TV라 부르는 방식의 디스플레이가 이러한 방식으로 제작되는 대표적인 예시로, 화면은 LCD 패널이지만 백라이트에 백색 LED 광원을 조합하여 제작한다.

양자점은 날카로운 발광 스펙트럼을 가지고 있어 색역의 확장에 유리하다. 양자점은 형광체처럼 청색 LED 위에 코팅해 사용할 수도 있지만, 일반적으로는 고온이나 산소, 수분에 의한 열화를 방지하기 위해 원격 부품으로 가공해 사용한다. 상용화된 양자점 백라이트 내에는 양자점이 필름의 형태로 들어간다. 그림 3(a)와 3(b)에 양자점 백라이트의 개략도 및 전형적인 스펙트럼의 예를 각각 제시하였다. 이 그림에서 볼 수 있는 것처럼 양자점 백라이트는 청색 LED를 광원으로 활용하고, 적록 양자점이 포함된 원격 양자점 필름을 도광판(light guide plate, LGP)과 LCD 패널 사이에 배치한다. 백라이트의 스펙트럼을 보면 청색 LED의 단파장 피크와 적록 양자점이 방출한 두 피크가 중첩되어 날카로운 세 개의 피크를 구성함을 알 수 있다. 이들이 컬러 필터를 통과하면 삼원색의 색순도가 상당히 높아지며 색역이 향상될 것으로 예상된다[44-46]. 그림 3(c)는 색도도 상에 NTSC의 기준 색역 및 InP 계열 적록 양자점 필름이 적용된 LCD의 색역을 함께 표시했다. 삼각형의 면적을 NTSC 기준 색역과 비교해 계산한 결과 양자점 백라이트를 장착한 LCD의 색역이 NTSC의 99.9%임을 확인할 수 있었다.

Figure 3. Quantum dot (QD)-based backlight: (a) a cross-sectional view, (b) a typical emission spectrum, and (c) the color gamut on the chromaticity diagram of a typical QD-based edge-lit backlight.

최근 양자점 백라이트는 미니 청색 LED 배열과 결합해 LCD의 명암비(contrast ratio)를 높이는 용도로도 활용된다. 화면 크기에 따라 수천 혹은 수만 개로 배열된 청색 LED는 영상 신호와 연동되어 국소적으로 밝기를 조절하면서 양자점을 여기하기 때문에 명암비가 대폭 개선된다. 가령 검정색을 구현하더라도 기존과 달리 ‘진정한 검정(true black)’색을 구현할 수 있는 것이다. 이런 방식의 백라이트 구동을 적응형 디밍(adaptive dimming) 혹은 국소 디밍(local dimming)이라 한다.

최근에는 양자점을 비자발광 디스플레이의 후면 광원에만 사용하는 것을 넘어 직접 화소에 적용하는 하이브리드형 구조의 디스플레이도 등장했다. 이 디스플레이는 청색 OLED를 후면에 형성하고, RGB 화소 중 RG에 해당하는 부화소에 각각 적록 양자점을 배치한 구조로 청색 OLED의 여기를 통해 RG 부화소에서는 각각 적색 및 녹색광이 만들어지고, B 부화소에서는 OLED의 빛이 그대로 통과되는 방식으로 삼원색을 구현한다. 이 기술은 백라이트와 패널의 조합을 탈피함으로써 자발광 방식을 구현하였기 때문에 미니 LED에 의한 적응형 디밍 영역의 한계를 벗어날 수 있었다. 뿐만 아니라 화소 디밍(pixel dimming)이 가능하고 색역도 넓어 뛰어난 화질을 구현할 수 있다는 장점과 함께 OLED의 유연성에 기반해 플렉서블 디스플레이로 진화할 수 있는 잠재력 또한 갖고 있다[47].

3.1.2. 고연색성 조명

양자점을 조명에 응용하려는 연구는 오래 전부터 이어지고 있는데, 이는 백색 LED의 발광 스펙트럼이 갖는 단점 때문이다. 그림 2(b)에서 확인할 수 있는 것처럼 황색 형광체를 사용한 백색 LED는 장파장의 적색 스펙트럼 성분이 부족하다. 따라서 조명이 사물의 다양한 색상을 연출하는 능력인 연색성이 떨어진다. 국제조명위원회가 정한 표준에 의하면 광원의 연색성은 연색지수(color rendering index, CRI)로 나타내는데, 연색지수는 8개의 정해진 표준 색상을 기준으로 표준광원과 시험광원의 색 측정 결과를 비교해 계산한다[48]. 각 색상별 연색지수를 R1–R8이라고 하는데, 이들의 평균을 일반 연색지수 Ra로 표현한다. 연색지수의 최대값은 100이며, 맑은 날의 태양광이나 연속 스펙트럼을 갖는 백열등의 Ra가 보통 100이다. 또한 경우에 따라 채도가 높은 색상을 포함한 7가지 추가 색상의 개별 연색지수(R9–R15)까지 포함해 총 R1–R15까지 평균을 내어 확장한 연색지수 Re를 활용하기도 한다. 채도가 매우 높은 색상의 제품들이 많이 유통되는 요즘, 확장된 연색지수의 중요성도 커지고 있다.

그림 2(b)와 같은 백색 LED의 연색지수는 조명의 스펙트럼마다 편차가 있지만 보통 80 전후의 수치를 보이고, 채도가 높은 적색에 대한 개별 연색지수 R9은 음의 값을 기록하기도 한다. 이를 개선하기 위해 적색 양자점을 보완적으로 사용하는 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 그 중 하나는 황색 형광체와 적색 양자점을 섞어서 청색 LED 칩 위에 함께 코팅하는 것이다. 이때 파장 변환 물질과 함께 TiO2 등의 굴절률이 높은 산란제를 넣는 것이 중요하다. 산란제는 다중 산란을 유도해 파장 변환 효율을 증가시키고 형광체나 양자점의 사용량을 줄일 수 있으며, 이는 기존의 시뮬레이션[49] 및 실험[50]을 통해 확인되었다. 이 연구에서는 산란제가 증가함에 따라 다중 산란도 늘어나며 황색 형광체와 적색 양자점의 피크가 강화됨을 보고하였고, 백색 LED의 연색지수 Ra와 Re가 각각 94 및 92 이상으로 높게 개선되었다[50].

신뢰성 향상을 위해 형광체와 양자점 모두 원격 타입의 부품으로 제작할 수 있다. 그 예로 황색 형광체 판(plate)과 적색 양자점 필름을 각각 원격 부품으로 제작하였을 때, 적층 구조에 따른 광특성 변화가 보고되기도 했다[51]. 적층 구조에 따른 광특성 변화는 여기광인 청색 LED에 더 가까이 놓인 파장 변환 부품의 여기가 활성화되기 때문에 발생한다. 따라서 발광 효율과 연색지수 두 특성 중 어느 것을 더 중점적으로 고려하는가에 따라 파장변환 부품의 적층 순서를 달리할 수 있다. 발광 효율이 강조되는 조명의 경우 황색 형광체가 청색 LED 위에 배치되는 것이 유리한 반면, 연색지수가 중요할 경우에는 적색 양자점 필름을 청색 LED 위에 배치해야 한다.

또한 황색 형광체 판과 적색 양자점 필름 사이의 공기층 존재 유무에 따라 여기 확률이 달라진다는 사실도 보고되었다[52]. 공기층의 아래에 파장 변환 부품이 위치하면, 빛의 내부전반사로 인해 빛이 아래로 다시 내려가는 비중이 증가하며 파장 변환 효율이 상승한다는 점이 확인된 것이다.

3.2. 원격 양자점 조명 내 광 공동(optical cavity)의 역할

양자점을 조명에 적용하기 위해서는 양자점의 적용 방식과 배치에 대한 세심한 고려가 필요하다. 여기에는 양자점의 장기 신뢰성 확보, 양자점의 색상 변환 효율 증가, 조명의 연색지수 개선 및 광효율의 유지(혹은 최소한의 감소), 그리고 양자점의 사용량 저감을 통한 저비용 달성 등 다양한 측면이 포함된다. 이를 반영하기 위해서는 양자점을 사용한 조명의 광학 구조를 최적화해야 한다. 본 절에서는 직하 방식의 고출력 원형 LED 조명에 양자점 필름을 적용한 사례를 바탕으로 위에서 언급한 다양한 요소가 어떤 방식으로 광학 구조의 설계에 반영되었는지 살펴본다.

그림 4(a)의 왼쪽 사진은 전형적인 고출력 백색 LED의 한 예로서 72개의 백색 LED가 동심원 모양으로 배치되어 있고, 사진에는 보이지 않는 불투명한 확산판이 투광부(조명 덮개)의 역할을 하며 LED의 휘점(bright spot)을 제거한다. 그림 4(b)의 단면도는 고출력 LED 조명 속에 적색 양자점 필름을 배치하는 여섯 가지 구도로, 그림 4(a)의 오른쪽 사진이나 그림 4(b)의 중간 구성처럼 투광부의 상부 혹은 하부에 양자점 필름을 배치하면 투광부와 하부 반사필름이 수직 공동(cavity)을 형성함으로써 빛의 수직 왕복운동을 촉진한다. 이때 반사필름의 반사율, 투광부의 투과율과 반사율이 중요한 역할을 한다. 특히 투광부의 반사율이 높으면 양자점 필름의 여기 확률이 올라가며 우수한 연색성을 얻을 수 있지만[53], 빛의 투과율이 떨어져서 광효율은 감소한다. 이를 보완하기 위해 양자점 필름을 투광부의 위에 배치할 수도 있지만 그 결과 양자점의 색변환 효율이 감소할 뿐만 아니라 시야각에 따른 광 경로 차이로 인해 색도가 균일하지 못할 가능성이 높다[44].

Figure 4. Photos of the three configurations of studied quantum dot (QD) film-based white light emitting diodes (LEDs). (b) Cross-sectional views. (c) Emission spectra of six configurations of LED lighting.

색변환 효율을 높임과 동시에 투광부에 의한 광손실을 줄이는 방법 중 하나는 양자점 필름의 여기에 기여하는 수평 공동을 만드는 것이다[38,39]. 그림 4(a)의 가운데 사진 및 그림 4(b)에서 양자점 필름을 바닥 위에 수직으로 세운 구조인 양자점 벽(QD wall)을 볼 수 있다. 이때 양자점은 보통 반사율이 높은 백색 반사필름 위에 코팅된다. 백색 LED에서 방출된 빛은 투광부-하부 반사판 사이의 수직 공동 및 양자점 벽으로 구성된 수평 공동 내에서 다중 반사되어 적색 양자점의 여기에 기여한다. 이 디자인을 채택한 백색 LED 조명은 우수한 연색지수 및 상대적으로 높은 광효율을 나타내었다[39]. 그림 4(c)그림 4(b)에 나타낸 여섯 가지 조명 구조의 스펙트럼을 비교한 것이다. None을 제외한 원격 양자점 필름을 사용한 다섯 가지 구조에서는 파장 약 630 nm에 적색 양자점에 의한 피크가 형성되며 장파장 영역의 스펙트럼이 보강되었다.

그림 5(a)5(b)는 적색 양자점을 적용하기 전과 bottom+ wall 구조를 적용한 후 조명의 개별 연색지수의 변화 추이를 보여준다. 적색 양자점을 도입한 후 연색지수는 전체적으로 증가하였지만, 그 중에서도 특히 R9의 수치가 약 15에서 95로 큰 폭으로 오른 것을 볼 수 있다. 또한 Ra와 Re가 각각 약 96 및 94 정도로 개선되었으며 이로써 고연색성 조명의 가능성을 보여줬다. 일반적으로 연색성을 증가시키기 위한 적색 성분의 강화는 사람 눈의 명소시(photopic vision) 감도가 낮은 장파장 성분의 비중을 높여 조명의 광효율을 감소시킨다. 따라서 이러한 발광 파장을 정밀하게 조정할 수 있는 양자점의 활용은 시감도가 매우 낮은 파장대로의 스펙트럼 변화를 최소화하고 원하는 파장 영역만 보강함으로써 광효율의 급감을 막으며 동시에 연색지수를 높이는 용도로 활용될 수 있다.

Figure 5. Individual color rendering index (CRI), Ra and Re of a downlighting, high-power white light emitting diode (LED): (a) without any remote quantum dot (QD) components (with only a diffuser plate) and (b) with both a bottom QD film and a QD wall together with a diffuser plate.

백색 LED 조명에서 광 공동을 형성할 때 중요한 요소 중 하나는 반사필름의 반사 성격이다. 통상적으로 조명 내 반사필름으로는 알루미늄 등 정반사 성격의 반사 구조와 백색 PET 등의 확산 반사 구조가 많이 사용된다. LCD 백라이트에 사용되는 집광필름이나 반사형 편광필름과 같은 휘도 향상필름의 성능을 높이기 위해 확산 반사 성격의 필름을 사용하는 것이 중요한데[54], 이와 비슷하게 양자점이 포함된 엣지형 백라이트의 경우에도 확산형 반사 필름을 사용하였을 때 발광 효율 및 색변환 효율이 더 우수했다. 이는 여기 광원인 청색광이 반사필름에서 확산 반사되며 더 넓은 면적의 양자점 필름을 조사하기 때문인 것으로 분석되었으며 실험 및 시뮬레이션을 통해서 확인되었다[46].

조명 내 광 공동에 대해 고려해야 할 또 하나의 요인은 광학필름을 활용한 빛의 재생(recycling) 과정이다. 양자점 필름이 수직 공동 내에 놓이는 경우, 예를 들어 LCD 백라이트에 사용되는 프리즘 필름 1–2매 가량을 상부에 배치하면 매우 강한 공동 효과가 발생한다. 이는 그림 6(a)의 3번 광선의 광경로에서 보이는 것처럼 정각(頂角)이 직각인 프리즘 필름이 아래에서 올라오는 빛의 절반 정도를 내부전반사를 통해 다시 하부로 내려 보내기 때문이다. 이렇게 수직 공동 내 빛의 왕복 운동이 강화되면서 파장변환 물질의 색변환 효율이 올라가고, 이는 다시 연색지수의 개선으로 이어진다[55,56]. 이와 동일하게 그림 6(b)에 나타낸 상부에 프리즘 필름을 한 장 적층한 직하형 백색 LED 조명에서도 집광에 의한 스펙트럼의 상승 효과와 더불어 색변환 효율도 증가한다는 점이 뚜렷이 보인다[56].

Figure 6. (a) Cross-sectional view of the one-dimensional prism film together with three representative rays. n1 and n2 denote the refractive indices of the prism and substrate, respectively. (b) Emission spectra of the white light-emitting diodes (LEDs) with a red quantum dot (QD) film of 5 wt% under two conditions, without and with a prism film.

3.3. 연색성의 가변성 확보

일반 LED 조명은 청색 LED와 황색 형광체의 발광비가 조명의 스펙트럼을 결정하기 때문에 제품을 조립한 후에는 조명의 색감, 즉 상관색온도(correlated color temperature, CCT)를 변경하기 힘들다. 양자점 필름 또한 조명에 투광부나 벽 형태로 고정되고 나면 디자인 변경이 용이하지 않기 때문에 CCT 조절이 어렵다. 이러한 면에서 개별적으로 체결할 수 있는 캡 형태의 원격 양자점 부품은 매력적인 선택지다[40]. 그림 1(b)는 양자점 캡의 제작과정과 실물 사진을 보여주는데 이러한 캡은, 소프트 몰드와 자외선 경화제를 활용해 어렵지 않게 제작할 수 있으며 수십 개의 LED로 구성된 직하형 백색 LED 조명에 다양한 배열로 자유로이 조립할 수 있다[그림 4(a)].

그림 7(a)는 직하형 LED 조명에 결합된 양자점 캡의 몇 가지 배열과 함께 해당 조명의 광특성을, 그림 7(b)는 발광 파장 혹은 함량이 약간 다른 세 종류의 양자점 캡 A-C를 사용한 조명의 발광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 양자점 캡 A와 B는 발광 특성이 거의 동일하나 양자점 캡 C는 장파장 쪽으로 더 넓은 피크를 형성하는 것을 볼 수 있다. 또한 양자점 캡을 사용하면 황색 형광체의 피크 세기가 줄어들면서 파장 620–630 nm 부근 양자점의 세기가 증가한다. 그림 7(c)에서 세 종류의 양자점 캡을 그림 7(a)의 패턴 4처럼 배치한 조명의 CCT를 나타내었는데, CCT가 5,500 K에서 3,400 K까지의 매우 넓은 범위 내에서 조절됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 CCT의 변화에 양자점 캡의 구성 및 수가 영향을 미침을 알 수 있다, 그림 7(d)는 패턴 4로 배열한 양자점 캡 B를 상대적으로 장파장 적색 성분이 강한 양자점 캡 C로 변화시키며 적색광으로의 변환을 촉진함에 따라 색도도 상의 색좌표가 화살표의 방향에 따라 적색 영역으로 이동함을 보여준다. 이와 같이 원격 양자점 부품은 조명 내부의 캡을 손쉽게 분리, 조립할 수 있는 디자인을 채택함으로써 색온도 조절의 자유도를 획득하였다.

Figure 7. (a) Four patterns of quatum dot (QD) caps integrated into a downlighting white light-emitting diode (LED). (b) Emission spectra of three kinds of QD caps denoted as A, B, and C. (c) Correlated color temperature (CCT) of four configurations where the three kinds of QD caps were arranged into a pattern 4. (d) Color coordinates of the white LED where the QD caps B were sequentially replaced with the QD caps C at a number of 0, 4, 10, 22, and 29. The arrow denotes the change in the color coordinates as the number of QD cap C increases.

양자점 캡이 백색 LED를 전체적으로 덮도록 디자인하면 빛이 내부에 갇혀 광효율이 떨어지는 문제가 생긴다. 그러므로 그림 1(b)에 보이는 것처럼 표면의 일부를 통해 내외부가 연결된 개방형 캡 디자인이 일반적이다. 개방형 캡에서는 양자점 캡의 측면 및 상부 일부가 광 공동을 형성하면서 양자점의 색상 변환을 촉진하고, 이렇게 형성된 백색광이 개방된 면을 통해 외부로 빠져나오게 된다. 그러나 양자점 캡의 디자인에 따른 효율을 일일이 테스트하게 되면 몰드를 매 실험마다 새로 제작해야 하는 등 최적화에 시간이 오래 걸릴 뿐더러 소모적이기도 하다. 그렇기에 광학 시뮬레이션을 통한 선행 연구가 매우 중요한 역할을 하는데, [57]에 양자점 캡의 형상을 다양하게 변화시키면서 연색지수와 광효율을 연구한 시뮬레이션 결과가 수록되어 있다. 원격 양자점 부품의 형상, 농도에 따른 분석 결과는 소프트 몰드를 활용한 캡 형상 최적화에 있어 중요한 근거 데이터를 제공하고 개발 시간을 단축한다.

양자점 캡을 사용한 직하형 백색 LED 조명의 투광부도 양자점의 여기에 중요한 역할을 한다[58]. 양자점 캡의 개수와 패턴 변화뿐만 아니라 확산판의 투과율에 의한 공동 효과도 양자점 캡을 사용한 조명의 연색성 및 CCT에 영향을 주기 때문이다. 아울러 양자점 캡과 양자점 필름을 결합한 하이브리드 방식의 조명에 대한 연구 결과도 보고된 바 있다[55]. 이 연구에서는 적절한 양자점 캡의 배열과 측면 경사면에 적층된 양자점 필름, 확산형 반사필름과 프리즘 필름을 결합해 95 이상의 높은 연색지수를 구현할 수 있었다. 이를 통해 연색지수가 낮은 일반 LED 조명에서도 원격 양자점 부품을 적용함으로써 적절한 공동을 형성해 빛의 재생 과정을 촉진하여 100에 가까운 우수한 연색지수를 갖는 고연색성 조명을 구현할 수 있음을 보여주었다. 특히 광구조를 최적화해 색변환 효율을 올리면 적은 양의 양자점으로도 충분한 연색지수를 달성할 수 있어 비용 면에서도 유리하다.

IV. 결론 및 전망

본 논문에서는 최근 활발히 연구되고 있는 원격 양자점 부품 및 이들을 사용한 고연색성 조명의 광구조 최적화에 대한 최신 연구 결과를 정리했다. 특히 양자점 필름과 양자점 캡의 제작 과정 및 적용 사례를 상세히 소개했다. 고연색성 조명의 구현을 위해서는 파장 변환 물질의 색변환 효율이 높아야 하며, 조명 내 광 공동의 강화 및 이를 위한 각 광학 부품의 투과도와 반사도, 반사 특성 등의 최적화가 필요함을 설명하고, 광학 시뮬레이션과 결합된 양자점 조명의 최적화 설계의 다양한 사례를 통해 저비용, 고연색성의 LED 조명 개발이 가능함을 보여주었다.

본 논문에서 설명한 고연색성 조명은 백화점, 박물관, 미술관 등 작품이나 상품의 색상을 충실히 재현해야 하는 공간에서 사용되는 특수 조명뿐만 아니라 COVID-19 팬데믹 등 실내 생활을 주로 하는 경우의 삶의 질 향상을 위한 조명 환경 구축에도 활용될 수 있다. 특히 양자점을 활용하면 발광 스펙트럼의 정교한 제어가 가능하기 때문에 식물생장용 조명을 포함한 다양한 목적의 특수 조명에도 양자점의 활용은 지속적으로 늘어날 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구를 위해 양자점 부품을 제공해 주고 다양한 조언을 해 준 철원플라즈마산업기술연구원, ㈜지엘비젼, ㈜이노큐디에 감사드립니다.

재정지원

과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행(Grant no. RS-2023-00219703).

이해상충

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

데이터 가용성

본 연구의 결과 분석 및 생성된 데이터는 모두 본 논문 내 명시되어 있으며 공공의 이용이 가능하다. 데이터에 접근하거나 사용하고자 하는 이는 저자에게 타당한 이유를 밝히고 허가를 얻어 사용 가능하다.

Fig 1.

Figure 1.Schematic diagram of the fabrication process of (a) a quantum dot (QD) film and (b) a QD cap. The fabricated film and cap are shown in the photos.
Korean Journal of Optics and Photonics 2024; 35: 95-106https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.3.095

Fig 2.

Figure 2.Emission spectra of (a) a conventional white light emitting diode (LED) with a yellow phosphor and (b) a white LED with green and red phosphors.
Korean Journal of Optics and Photonics 2024; 35: 95-106https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.3.095

Fig 3.

Figure 3.Quantum dot (QD)-based backlight: (a) a cross-sectional view, (b) a typical emission spectrum, and (c) the color gamut on the chromaticity diagram of a typical QD-based edge-lit backlight.
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Fig 4.

Figure 4.Photos of the three configurations of studied quantum dot (QD) film-based white light emitting diodes (LEDs). (b) Cross-sectional views. (c) Emission spectra of six configurations of LED lighting.
Korean Journal of Optics and Photonics 2024; 35: 95-106https://doi.org/10.3807/KJOP.2024.35.3.095

Fig 5.

Figure 5.Individual color rendering index (CRI), Ra and Re of a downlighting, high-power white light emitting diode (LED): (a) without any remote quantum dot (QD) components (with only a diffuser plate) and (b) with both a bottom QD film and a QD wall together with a diffuser plate.
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Fig 6.

Figure 6.(a) Cross-sectional view of the one-dimensional prism film together with three representative rays. n1 and n2 denote the refractive indices of the prism and substrate, respectively. (b) Emission spectra of the white light-emitting diodes (LEDs) with a red quantum dot (QD) film of 5 wt% under two conditions, without and with a prism film.
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Fig 7.

Figure 7.(a) Four patterns of quatum dot (QD) caps integrated into a downlighting white light-emitting diode (LED). (b) Emission spectra of three kinds of QD caps denoted as A, B, and C. (c) Correlated color temperature (CCT) of four configurations where the three kinds of QD caps were arranged into a pattern 4. (d) Color coordinates of the white LED where the QD caps B were sequentially replaced with the QD caps C at a number of 0, 4, 10, 22, and 29. The arrow denotes the change in the color coordinates as the number of QD cap C increases.
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