서강대학교 강문성 교수, UNIST 김봉수 교수와 ETRI 강찬모 박사 공동연구팀(제1저자 서강대학교 김혁준 연구원, UNIST 함효빈 연구원, 서강대학교 임창혁 연구원)은 양자점 발광층을 손상 없이 정밀한 미세 패턴으로 구현할 수 있는 새로운 공정 기술을 개발하였다.

 최근 가상현실(VR)·증강현실(AR) 기술이 빠르게 발전하면서, 눈과 매우 가까운 거리에서 사용되는 마이크로디스플레이 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 장치에서는 화면 크기가 수 인치 이하로 제한되기 때문에 사람의 눈에 픽셀 경계가 보이는 ‘스크린도어 효과’를 방지하기 위해 적녹청(RGB) 발광층을 3000 PPI 이상의 초고해상도로 구현하는 기술이 요구된다.

 양자점은 색 재현성이 우수하고 발광 효율이 높아 차세대 디스플레이용 소재로 주목받고 있다. 그러나 실제 디스플레이에 적용하기 위해서는 양자점 발광층을 미세한 픽셀 형태로 정밀하게 패턴화해야 한다. 기존 패터닝 방식으로는 양자점의 성능을 유지하면서 이러한 미세 패턴을 정교하게 형성하는 데 한계가 있었다.

 공동연구팀은 양자점 발광층을 안정적으로 보호하면서 미세 패턴을 형성할 수 있는 ‘포토레지스트(PR) 기반 간접 광패터닝’ 기술을 개발하였다. 이 방법은 먼저 반도체 공정에서 사용하는 PR로 미세 패턴을 형성한 뒤 그 위에 양자점 박막을 형성하고, 이후 PR을 제거하여 원하는 위치에만 양자점 패턴을 남기는 방식이다.

 이를 위해 양자점 표면의 유기 리간드를 서로 연결해 양자점들이 안정적인 네트워크 구조를 형성하도록 하는 가교 전략을 도입하였다. 이 구조는 패턴 형성 과정에서 사용되는 용매나 후속 공정에도 양자점 박막이 손상되지 않도록 보호하는 역할을 한다. 또한 이러한 가교 반응은 비교적 낮은 온도에서 진행되도록 설계되어, 포토레지스트 패턴의 특성을 유지한 상태에서 안정적으로 공정을 수행할 수 있다.

연구팀은 해당 기술을 적용해 세계 최고 수준의 패턴 충실도를 달성하였다. 특히 패턴 가장자리의 불규칙성을 나타내는 선 가장자리 거칠기(line edge roughness, LER)는 약 2 µm 폭의 패턴에서 43.1 nm로 나타났으며, 이는 현재까지 보고된 발광용 양자점 패턴 중 가장 낮은 값이다. 또한 적색, 녹색, 청색 양자점을 순차적으로 형성하여 4000 PPI 이상의 초고해상도 RGB 패턴을 구현하였다. 더 나아가 이를 실제 소자 제작에 적용해 10 × 10 RGB 양자점 발광다이오드(QD-LED) 어레이를 구현함으로써, 개발된 패터닝 기술이 실제 디스플레이 소자 제작 공정에도 적용될 수 있음을 확인하였다.

해당 연구는 ‘삼성미래기술육성사업’과 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 ‘나노 및 소재기술개발사업(국가전략기술소재개발)’ 및 ‘개인기초연구사업(중견연구)’의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었다.

▶논문제목: Photoresist-guided indirect photopatterning of quantum dots via carbene-mediated ligand thermocrosslinking

▶논문링크: https://www.nature.com/articles/s41467-026-70770-z