강문성 교수 연구팀(제1저자 조용현 연구원)은 페로브스카이트 나노결정(PeNC)의 뛰어난 발광 효율을 유지하면서 초미세 패턴을 형성할 수 있는 새로운 '직접 포토리소그래피' 공정 기술을 개발했다.

 

페로브스카이트 나노결정은 색 순도가 높고 발광 효율이 뛰어나 차세대 발광다이오드(LED) 디스플레이용 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 이온 결합 특성으로 인해 외부 환경에 극도로 취약하여, 극성 용매(현상액)를 사용하는 기존 포토리소그래피 공정을 적용하면 나노결정이 심각하게 훼손되는 한계가 있었다.

 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 감광액(Photoresist) 사용을 배제하고, 빛을 받으면 나노결정 입자의 리간드 사이를 서로 연결해주는 벤조페논(Benzophenone) 기반의 광유도 리간드 가교제(LiXer)를 도입했다. 특히 밀도범함수이론(DFT) 및 시간의존 밀도범함수이론(TD-DFT)을 활용한 양자화학 계산을 통해 분자 구조와 에너지 준위를 최적화함으로써, 기존에 심자외선(254 nm) 영역에서 빛을 흡수하던 벤조페논이 디스플레이 산업 표준 광원인 i-line 자외선(365 nm)에서도 원활하게 광반응을 일으키도록 새롭게 설계했다.

 

기존 나노물질 패터닝에 주로 쓰이던 고에너지의 심자외선(254 nm)은 페로브스카이트의 발광 효율을 급감시키고, 이를 복구하기 위한 할라이드 후처리 공정은 다색 패턴 구현에 적용하기 어렵다는 단점이 있었다. 반면 연구팀이 도입한 365 nm 자외선 기반 가교 시스템은 나노결정에 미치는 물리적, 광학적 손상을 원천 차단할 수 있다.

 

연구팀은 개발된 기술을 적용해 녹색 발광을 띠는 CsPbBr3 페로브스카이트 나노결정을 2 um 크기의 고해상도 패턴으로 정밀하게 구현해 냈다. 그 결과, 복잡한 후처리 공정 없이도 페로브스카이트의 발광 효율이 공정 전 초기 효율의 88% 수준까지 높게 유지됨을 확인했다. 무엇보다 산업 현장에서 널리 쓰이는 365 nm 광원을 그대로 활용할 수 있어, 신규 장비 도입 없이 기존 대면적 양산 라인에 즉시 적용 가능하다는 장점이 있다.

 

해당 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 ‘이종기술융합형사업(소재부품기술개발)’과 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 ‘기초연구실개척형사업(집단연구지원)’의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지 ACS Photonics에 게재되었다.

 

▶논문제목: Direct Photolithography of Perovskite Nanocrystals via 365nm UV Induced Ligand Cross-Linking

▶논문링크: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.6c00317