서강대학교 화공생명공학과 강문성 교수(좌), 양지혜 박사(중), 박세영 석박사 통합과정 (우)

본교 화공생명공학과 강문성 교수 연구팀(공동 제1저자: 양지혜 연구원,, 박세영 연구원)은 성균관대학교 배완기 교수, 울산과학기술대학교 김봉수 교수 연구팀과 함께 퀀텀닷(quantum dot, 수나노미터 크기의 반도체 결정으로 양자점이라고도 불리움) 발광소재를 마이크로미터(micrometer = 10-6 m = 머리카락 두께의 약 100분의 1) 수준의 폭과 간격으로 공정하는 초정밀 패터닝 방법을 개발하였다.

퀀텀닷은 높은 발광효율과 높은 색순도를 갖는 소재로 보다 밝고 선명한 영상을 구현하는데 쓰일 차세대 디스플레이 소재이다. 특히나 가상현실, 증강현실 등을 구현하는 미래형 초고해상도 디스플레이 구현의 핵심소재로 최근 산업계와 학계에서 커다란 관심을 받고 있다.

퀀텀닷 기반의 미래형 디스플레이 구현을 위해서는 다음의 공정 문제들이 반드시 해결되어야한다. 우선, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 방출하는 퀀텀닷을 수 마이크로미터 수준의 폭과 간격으로 정밀하게 배치하는 초고해상도 패터닝 공정 개발이 필요하다. 해당 공정은 오차 없이 높은 수율로 진행되어야 하며, 공정 과정에서 퀀텀닷 고유의 발광특성(방출 되는 빛의 색, 광효율 등) 저하가 발생하지 않아야 한다. 또한, 이 모든 요구사항은 카드뮴, 납, 수은 등의 중금속을 포함하지 않아, 환경적 제약으로부터 자유로운 비중금속계 발광형 퀀텀닷에 대해 만족되어야한다.

공동연구진은 퀀텀닷의 표면에 있는 리간드(퀀텀닷의 분산성 확보를 위해 표면에 도입된 유기물)와 선택적으로 광화학반응(빛이 조사되었을 때 진행되는 화학반응)을 일으켜 이웃한 퀀텀닷 간 화학적 결합을 형성시키는 광가교 첨가제를 개발하고, 이를 활용한 초고해상도 퀀텀닷 광패터닝(자외선 노광을 통해서 소재의 패턴을 형성하는 기술) 공정 기술을 개발하였다.  

특별히, 연구진은 높은 성공률로 이웃한 퀀텀닷간 화학적 결합을 형성하면서도, 동시에 화학적 결합이 형성되는 과정에서 발생할 수 있는 양자점 발광특성 저하를 차단하는 광가교제의 화학적 구조를 설계하였다. 이를 바탕으로 인듐, 인, 아연, 황 등의 비중금속 원소로만 이루어진 고효율 발광형 퀀텀닷을 발광특성 저하 없이 수 마이크로 수준으로 패터닝할 수 있음을 밝혔다.

강문성 교수는 “개발된 패터닝 공정은 이미 반도체 및 디스플레이 산업에서 범용적으로 사용되고 있는 포로레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 공정과 본질적으로 동일하여 대면적의 기판에도 고해상도의 균일한 패턴 형성이 담보된 기술로, 무엇보다도 현장에서 이미 사용되는 설비들을 그대로 사용할 수 있는 산업적 적용성이 높다”고 평하였다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노・소재기술개발사업, 삼성전자 미래기술육성센터, 삼성디스플레이의 지원을 통해 진행되었으며, 결과는 9월 23일 재료과학분야 국제학술지 “어드밴스드 머티리얼즈’(Advanced Materials; 인용지수 32.09)에 발표되었다.

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

논문 제목: Nondestructive Photopatterning of Heavy-Metal-Free Quantum Dots

논문 링크: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202205504