양지혜 박사과정 연구원 (지도교수: 강문성), 고해상도 양자점 패터닝 공정 개발 Nature Communications 논문 발표

 

▲ 양지혜 (서강대 화공생명공학과)

 

 

본교 화공생명공학과 강문성 교수팀이 성균관대 배완기 교수팀과 공동으로 양자점용 광가교제를 이용하여 양자점 박막을 고해상도로 패터닝하는 기술을 개발하는 데 성공했다.

 

양자점(quantum dot)이라고도 불리우는 수 나노미터 크기의 반도체 결정은 높은 발광효율과 색순도를 갖는 발광소재로 디스플레이 산업 분야에서 가장 뜨거운 관심을 받고있는 소재이다. 이미 양자점이 내재된 디스플레이의 상용화가 성공적으로 이루어졌으며, 후속 기술의 개발이 성공적으로 이루어질 경우 그 미래가 더 유망하다고 판단된다. 이를 위해서는 다양한 연구 개발이 필요하나 특히나, 디스플레이 픽셀내에 빛의 삼원색(적(R)/녹(G)/청(B)색)을 구현할 양자점을 수마이크로미터(마이크로미터는 100만분의 1 미터로 머리카락 두께의 100분의 1에 해당한다)의 정밀도로 배치시키는 양자점 미세패터닝 기술은 차세대 양자점 디스플레이 장치를 위한 핵심공정기술로 여겨진다. 이와 관련하여 잉크젯 프린팅, 전사 프린팅 등 다양한 공정방법이 산학계에서 연구/개발되고 있다. 다만 각각의 공정 방법은 배치된 양자점 픽셀의 정밀도, 균일도 및 생산성의 측면에서 여전히 해결해야할 문제가 남아있어, 특히나 자발광에 기초한 양자점 디스플레이 장치 개발의 걸림돌이 되고 있다.  

 

연구팀은 양자점 표면에서 벌어지는 광화학반응을 제어하여 양자점을 수마이크로미터의 해상도로 패터닝할 수 있는 공정기술을 개발하였다. 해당 공정기술의 핵심은 양자점으로 이루어진 박막에 광화학적 활성을 부여하는 것으로, 이를 위해 자외선에 직접 노출된 곳에서만 양자점 간 경화반응을 유도할 수 있는 양자점용 광가교제(light-driven ligand crosslinker, LiXer)를 도입하였다. 연구팀은 박막의 선택적 경화 여부에 따라 발생하는 화학적 내성 차이를 활용하여 양자점 패턴을 형성하였으며, 개발한 공정을 적색, 녹색, 청색 양자점에 대해 연속적으로 적용하여 수 마이크로미터 크기의 고해상도 RGB 양자점 패턴(1400 p.p.i.)을 형성하였다. 형성한 양자점 패턴의 발광특성과 이에 기초한 발광소자의 성능에 저하가 전혀 발생하지 않음을 확인하였다.

 



 

(가) 양자점용 광가교제를 도입을 통한 양자점 박막의 경화 및 이를 이용한 양자점 광패터닝의 원리.  (나) 적색, 녹색, 청색 양자점에 대한 연속적 패터닝 공정도.  (다) 개발한 방법을 통해 제작한 1400 ppi 해상도의 RGB 양자점 패턴의 형광현미경 이미지.

 

 

 

양자점 본연의 우수한 색순도, 발광효율 및 광전기적 특성을 유지하면서도 높은 해상도로 양자점 패턴을 형성할 수 있는 본 기술은 그 성능적 측면 자체로도 충분히 우수한 공정기술이다. 이는 초고해상도, 높은 색 재현율을 요구하는 근거리용 디스플레이(AR/VR) 개발에 핵심 공정 기술로서 활용이 가능하다. 이에 더해 본 기술 개발에 핵심으로 사용된 광가교제와 이를 이용하여 패턴을 형성하는 원리는, 양자점 용액(잉크)를 활용하는 각종 대면적용 공정에도 바로 적용할 수 있는 방법이라 대면적 디스플레이 (TV, 사이니지용 디스플레이 등)에도 바로 적용할 수 있다. 나아가, 본 양자점 패터닝 기술은 공정을 위해 별도의 설비/장치를 요하는 기존의 기술과 대비하여 이며 현재 반도체 및 디스플레이 산업에서 널리 사용되고 있는 포토리소그래피 설비에 바로 접목 가능하다는 점에서 산업적으로 많은 관심을 끌 것으로 기대된다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리 사업과 기초연구사업의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 8일(온라인) 게재되었다.

 

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/site/mskanggroup/

논문제목: High-resolution patterning of colloidal quantum dots via non-destructive, light-driven ligand crosslinking

논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-020-16652-4