이중 시드층으로 나눠 잡은 투명 QLED 전극의 투명도와 전자주입

꺼지면 유리창이 되는 화면을 만들려면 맨 위에 덮는 전극이 투명하면서 전기가 통하고 전자까지 잘 밀어넣어야 합니다. 은을 10나노미터로 얇게 깔면 되는데, 은은 그 두께에서 섬처럼 흩어져 자랍니다. 부산대·DGIST 연구진은 시드층을 한 겹이 아니라 두 겹으로 깔고 역할을 갈랐습니다.

화면이 꺼지면 유리창이 되는 디스플레이는 오래된 그림이다. 매장 쇼윈도가 그대로 광고판이 되고, 자동차 유리에 계기가 뜨고, 건물 창이 안내판이 된다. 양자점 발광다이오드(QLED)는 색순도가 높고 용액공정이 되며 크기로 색을 맞출 수 있어 그 그림에 잘 맞는 후보다.

그런데 소자를 투명하게 만드는 마지막 관문은 맨 위에 덮는 전극 한 층이다. 아래쪽 전극은 ITO 유리를 쓰면 되지만, 위쪽은 이미 다 쌓아 올린 유기·양자점 층 위에 얹어야 한다. 그리고 그 한 층에 요구되는 것이 셋이다.

빛이 통해야 하고, 전기가 흘러야 하고, 전자를 발광층 쪽으로 밀어 넣어야 한다.

이번 주 Nanophotonics에 실린 부산대와 DGIST 공동 연구는 그 셋이 한 물질로는 동시에 잡히지 않는다는 데서 출발한다. 결론부터 적으면, 씨앗층을 한 겹이 아니라 두 겹으로 깔고 역할을 갈라 셋을 함께 세웠다. 그 결과 은 두께 10나노미터에서 투과율 63.48%, 면저항 7.35 Ω/sq를 얻었고, 소자 효율이 두 배, 수명이 세 배가 됐다.

1. 위에 덮는 전극이 어려운 이유

투명전극 후보는 많다. 그런데 투명 QLED의 상부 전극이라는 자리에 오면 하나씩 걸린다. 논문 서론이 정리한 것을 옮기면 이렇다.

• 투명전도성 산화물(ITO·IZO) 은 스퍼터로 올린다. 고온 공정이 자주 필요하고, 스퍼터 입자가 아래 기능층을 때려 손상시킨다. 단가도 오른다.
• 금속 나노와이어·탄소나노튜브·전도성 고분자는 저온에서 인쇄할 수 있다. 대신 용매 잉크를 쓰는 습식 공정이라 아래층을 녹이거나 부풀리거나 계면을 오염시킨다. 표면이 거칠고 접착도 약하다. PEDOT:PSS는 흡습성과 산성 때문에 이웃 층을 부식시키고 전도도가 시간에 따라 떨어진다.
• 그래핀은 전사와 라미네이션이 필요해 대면적에서 결함 없이 균일하게 깔기 어렵고, 성능이 화학 도핑에 기대는데 그 도핑이 시간에 따라 불안정하다.

남는 것이 열증착으로 올린 초박막 금속이다. 진공에서 올리므로 아래층을 적시지 않고, 넓은 면적에 균일하게 깔 수 있으며, 공정이 단순하다. 그중 은은 가시광에서 전도도와 투명도가 모두 좋다.

문제는 은이 얇을 때 어떻게 자라느냐다.

2. 은은 왜 섬처럼 자라는가

금속 박막의 성장은 세 가지 에너지의 저울로 정해진다. 기판 표면에너지, 금속 표면에너지, 그리고 둘 사이 계면에너지다.

금속이 기판에 붙는 힘보다 금속끼리 뭉치는 힘이 세면, 금속은 평평하게 퍼지지 않고 3차원 섬으로 뭉친다. 이것이 볼머-베버(Volmer-Weber) 성장이다.

은에서는 이 조건이 너무 쉽게 만족된다. 논문이 인용한 값으로 은 원자끼리의 응집이 약 1.25 J/m²인데, 은이 올라앉는 산화물이나 유리 쪽 표면에너지는 0.1 J/m²에 못 미친다. 열 배 넘게 차이가 나니 은은 처음부터 섬으로 시작한다.

계속 올리면 섬들이 자라 서로 붙고 결국 연속막이 된다. 그래서 은이 전기적으로 이어지려면 일정 두께를 넘겨야 하는데, 그 두께를 넘기는 순간 빛을 막기 시작한다. 투명도와 전도도가 정면으로 부딪히는 자리가 여기다.

실제로 씨앗층 없이 올린 은은 15나노미터에서야 면저항이 측정됐다. 8나노미터와 10나노미터에서는 막이 끊겨 있어 저항을 잴 수조차 없었다.

3. 씨앗층이 하는 일, 그리고 아무도 안 본 칸

해법은 알려져 있다. 은을 올리기 전에 아주 얇은 씨앗층을 먼저 깔아 은이 기판에 잘 붙게 만드는 것이다. 계면에너지를 낮추거나 기판 쪽 표면에너지를 실질적으로 올려, 섬으로 자랄 조건에서 벗어나게 한다. MoO₃, 금, 알루미늄이 그렇게 쓰여 왔다.

효과는 분명했다. 씨앗층을 깔자 8나노미터에서도 막이 이어져 면저항이 측정됐다.

그런데 여기서 논문이 짚는 빈칸이 있다. 지금까지의 씨앗층 연구는 대부분 투과율과 면저항 두 칸만 채워 왔다. 정작 완성된 소자 안에서 그 전극이 전하를 얼마나 잘 넣어 주는지는 거의 보지 않았다.

상부 전극이 음극으로 쓰이는 구조에서는 이것이 결정적이다. 전자를 발광층 쪽으로 못 밀어 넣으면 아무리 투명하고 저항이 낮아도 소자가 안 밝다. 그리고 전자와 정공의 균형이 깨지면 효율만 떨어지는 것이 아니라 수명도 함께 깎인다.

4. 더 균일한 쪽이 덜 투명했다

두 씨앗층을 나란히 놓고 재니 예상과 어긋나는 것이 나왔다.

전자현미경으로 보면 Al 씨앗 쪽이 더 고르게 덮여 있다. 그런데 투과율은 MoO₃ 쪽이 높다. 10나노미터에서 50.07% 대 64.31%로 14포인트 차이다.

논문의 설명은 이렇다. 투과율은 막의 형태 연속성만으로 정해지지 않는다. 씨앗층 자체가 만드는 광학 손실과 계면의 광학 경계조건이 함께 작용한다. 금속 알루미늄은 가시광에서 소광계수가 커서 1나노미터도 안 되는 두께에서도 기생흡수를 일으키고 실효 반사율을 올린다. 반면 MoO₃는 넓은 밴드갭 산화물이라 소광계수가 작고, 게다가 계면의 광학 임피던스를 바꿔 반사를 억제한다.

그러면 전자주입은 어떤가. 순서가 뒤집힌다.

전자만 흐르게 만든 소자로 재니 Al 씨앗 쪽이 훨씬 잘 넣었다. 자외선 광전자분광으로 잰 음극 스택의 실효 일함수가 그 이유를 설명한다.

Al을 넣은 쪽이 가장 낮다. 일함수가 낮을수록 전자를 밀어 넣기 유리하므로, 전자단독소자에서 Al 쪽 전류밀도가 뚜렷이 높았던 것과 방향이 맞는다.

정리하면 이렇게 갈린다. MoO₃는 투명하고 저항이 낮은데 전자를 잘 못 넣고, Al은 전자를 잘 넣는데 덜 투명하다.

5. 그래서 겹쳤다

연구진의 선택은 둘 중 하나를 고르지 않는 것이었다. Al 1나노미터와 MoO₃ 1나노미터를 차례로 깔고 그 위에 은 10나노미터를 올린다.

역할이 나뉜다. 아래쪽 Al은 ZnMgO 전자수송층과 맞닿아 전자주입 장벽을 낮추고, 위쪽 MoO₃는 은이 잘 퍼지게 하면서 투과율과 면저항을 챙긴다.

결과는 이렇다.

10나노미터에서 **투과율 63.48%**로, MoO₃ 단독(64.31%)과 사실상 같은 수준을 유지했다. Al을 한 층 더 넣었는데 투과율을 거의 잃지 않은 것이 이 조합의 요점이다.

왜 그런가. 반사율을 재 보니 답이 나왔다. Al/MoO₃/Ag 전극의 반사율이 Al/Ag보다 크게 낮고 MoO₃/Ag와 비슷했다. MoO₃ 층이 스택의 광학 경계조건을 바꿔 계면 반사를 억제하면서, Al이 물고 들어온 광학적 손해를 상쇄한 것이다. 원자힘현미경으로 잰 단차가 11~12.5나노미터로 설계값과 맞아, 층이 의도대로 쌓인 것도 확인됐다.

면저항은 7.35 Ω/sq로 MoO₃ 단독(5.68)보다는 높지만 Al 단독(10.23)보다 낮다. 셋 중 어느 것도 최고는 아니지만 셋 다 쓸 만한 자리에 놓인 것이고, 그것이 이 설계의 목표였다.

6. 소자에서 두 배

전극이 좋아졌다는 것과 소자가 좋아졌다는 것은 다른 일이므로, 실제 소자를 만들어 비교했다.

구조는 ITO / PEDOT:PSS / PF8Cz / 적색 양자점(CdZnSe 코어에 ZnSe·ZnSeS·ZnS 껍질) / ZnMgO 나노입자 / 상부 투명전극이다.

비교 대상을 고르는 기준도 밝혀 뒀다. 투명하다고 인식되려면 통상 투과율 50%를 넘겨야 하는데, 전극이 그 기준을 넘겨도 소자 전체는 다층 스택의 반사·흡수·산란 때문에 더 내려간다. 그래서 전극에는 60% 기준을 걸었고, 그 기준을 통과한 MoO₃ 단독(64.31%)과 Al/MoO₃ 이중(63.48%)을 비교했다. Al 단독은 50.07%로 기준에 못 미쳐 본 비교에서 뺐다.

위아래 발광을 합산한 결과는 이렇다.

휘도와 효율이 모두 두 배 넘게 올랐다. 전자주입이 좋아지면서 전자와 정공의 균형이 맞았기 때문이다.

수명도 따라 올라갔다. 초기휘도 10,000 cd/m²에서 정전류로 구동해 밝기가 70%로 떨어질 때까지의 시간(T70)이 MoO₃ 단독 5.81시간, Al/MoO₃ 이중 18.56시간으로 3.2배였다. 논문은 전자주입이 나쁘면 전하 불균형이 생기고, 그것이 오제 재결합이나 계면 소광 같은 비발광 손실 경로를 키워 열화를 앞당긴다고 설명한다.

🔴 논문은 이 값을 100 cd/m² 기준으로 환산해 73,888시간과 23,130시간이라고도 적는다. 이 두 숫자는 실측이 아니라 외삽값이다. 가속 관계식 L₀ⁿ·T70 = 상수에 n = 1.8을 넣어 얻은 것이고, 실제로 잰 것은 10,000 cd/m²에서의 18.56시간과 5.81시간이다. 비교에 쓸 수 있는 것은 배수(3.2배)이지 절대값이 아니다.

소자 전체의 투과율은 가시광 평균 54.57%, 623나노미터에서 51.8%였다. 전극 단독 63.48%에서 9포인트가량 깎인 값이고, 투명 디스플레이의 통상 기준선인 50%는 넘겼다.

7. 2인치 각에서도 되는가

실험실 화소 하나가 되는 것과 화면이 되는 것은 다르다. 연구진은 2인치 × 2인치 기판에 8×8 화소 배열을 만들었다. 화소 하나가 3밀리미터 각이다.

꺼진 상태에서 야외와 실내 모두 뒤 배경이 그대로 비쳐 보였고, 켰을 때 배열 전체가 고르게 발광했다.

이 실증이 중요한 이유는 앞서 열증착을 고른 이유와 이어진다. 용액공정 전극이나 그래핀 전사가 대면적에서 균일도를 잃는 자리에서, 열증착은 원래 넓은 면적을 고르게 덮는 공정이다. 씨앗층 두 겹과 은 한 겹을 차례로 증착하는 것이라 공정 순서도 늘지 않는다.

8. 남은 것

논문이 스스로 적은 한계가 둘 있고, 둘 다 같은 자리를 가리킨다.

첫째, 위아래 발광이 비대칭이다. 표에서 본 대로 아래쪽 발광이 위쪽의 두 배가 넘는다. 아래는 ITO를 통과하고 위는 은 전극과 봉지 유리를 통과하는데, 위쪽 경로의 손실이 더 크기 때문이다. 양면 발광을 내세우는 소자에서 이 비대칭은 그대로 남는 숙제이고, 논문은 상부 전극의 투명도를 더 올리는 것과 봉지 구조의 광학 손실을 줄이는 것을 함께 지목한다. 광학 캡핑층이 그 후보다.

둘째, 절대 성능은 최고가 아니다. 논문 자신이 선행 연구 대비표를 두고 **“일부 선행 연구가 더 높은 투과율이나 효율을 보고했다”**고 적는다. 이 연구의 강점은 최고 수치가 아니라 낮은 면저항을 단순한 순차 열증착으로 얻었다는 점이고, 그것이 대면적 양산에 맞는다는 것이다.

여기에 하나를 더 적어 둔다. 적색 소자 하나로 얻은 결과다. 투명 디스플레이가 되려면 청색과 녹색에서도 같은 전극이 통해야 하는데, 파장이 바뀌면 얇은 금속막의 광학 조건이 함께 바뀐다. 씨앗층 두께와 은 두께를 색마다 다시 맞춰야 할 가능성이 있다.

그럼에도 이 연구가 서 있는 자리는 분명하다. 투명전극 연구가 오랫동안 투과율과 면저항이라는 두 칸으로 성능을 적어 왔는데, 소자에서 실제로 발목을 잡은 것은 세 번째 칸이었다. 그리고 세 칸을 한 물질로 채울 수 없다는 것을 인정하고 층을 나눈 것이 답이 됐다.

하나로 안 되면 둘로 나눈다는 해법 자체는 새롭지 않다. 새로운 것은 나눠야 할 축이 무엇인지를 소자 안에서 확인한 것이다. 전극을 필름 상태로만 재던 자리에서 전자단독소자와 일함수 측정을 함께 놓았기 때문에 그 축이 보였다.