(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 정연식 교수·전덕영 명예교수 공동 연구팀이 차세대 퀀텀닷 LED(QLED) 기반 디스플레이 실현에 핵심적인 기술인 풀 컬러(적·녹·청) 퀀텀닷 패터닝 프린팅 기술 개발에 성공했다고 
6일 밝혔다. 

퀀텀닷이란 별도의 장치가 없어도 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수 나노미터(1 나노미터는 100만분의 1 밀리미터) 크기의 반도체 입자다. 

연구팀은 풀 컬러 퀀텀닷 배열의 해상도를 최대 14,000ppi(인치당 픽셀 수) 까지 구현하는데 성공했다. 이 해상도는 현재 8K 디스플레이의 해상도인 117ppi 보다 약 100배 이상에 달한다. 연구팀은 또 기존 퀀텀닷 나노 패턴 구현 방법과는 원리가 다른 초 저압 전사 프린팅 방법을 세계 최초로 개발해, 패턴의 해상도와 프린팅 수율 및 퀀텀닷 발광소자 성능을 극대화하는 데도 성공했다. 

KAIST 신소재공학과 남태원 박사과정이 제1 저자로, 김무현 박사과정이 제2 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)' 6월 16일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Thermodynamic-driven polychromatic quantum dot patterning for light-emitting diodes beyond eye-limiting resolution)

작년 10월 삼성디스플레이가 퀀텀닷 중심의 차세대 디스플레이 양산라인 구축 및 기술개발에 2025년까지 약 13조 원 규모의 투자계획을 발표하는 등 이제 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 부상하고 있다. 하지만 퀀텀닷 소재는 OLED 발광 소재와는 달리 용매에 녹아 분산돼 있는 형태로 존재하기 때문에 기존 디스플레이 패터닝 기술을 적용하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅이나 리소그래피와 같은 공정을 적용하고 있지만, 양산성 및 해상도 측면에서 제한적이거나 공정 과정 중에 퀀텀닷의 효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다. 

연구팀은 이런 문제해결을 위해 퀀텀닷의 용매 성분을 미세하게 조절해 수 나노미터에서 수천 나노미터급 주형에 선택적으로 스스로 조립하는 원리에 착안해 적용했다. 또한 조립된 퀀텀닷 미세 패턴을 분리한 후, 초 저압 방식으로 프린팅하는 기술을 개발해 풀 컬러 나노미터급 패턴을 100%에 달하는 수율로 구현했다. 특히 QLED용 퀀텀닷 패턴은 극도로 얇아서 외부 압력에 매우 민감하기 때문에 초 저압 전사 프린팅 기술을 활용해 패턴의 손상을 방지했는데 그 결과 QLED 소자의 성능이 기존 전사 프린팅 방식 대비 약 7배나 증가하는 결과를 확인했다.

연구팀 관계자는 "이번 연구 결과를 활용할 경우 적·녹·청 퀀텀닷 픽셀이 개별적으로 발광할 수 있는 초고해상도를 지닌 차세대 능동형 퀀텀닷 LED (Active Matrix QLED) 디스플레이 구현도 가능할 것ˮ이라고 내다봤다. 정연식 교수는 특히 "단일 퀀텀닷 크기를 갖는 극한 해상도 수준의 패턴도 구현이 가능해서 차세대 디스플레이 분야만 아니라 높은 민감도를 갖는 센서나 광학 소자로의 응용까지 기대된다ˮ라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래 소재 디스커버리 사업(단장 최성율)의 지원을 받아 수행됐다.  

□ 연구 개요

기존 OLED와 같은 발광 소재와는 다르게 용매기반으로 합성되는 퀀텀닷 소재는 그 특성상 기존 디스플레이 패터닝 공정 기술에 적합하지 않다. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅이나 리소그래피와 같은 기술로 퀀텀닷 패터닝 관련 연구들이 진행되어 왔으나, 양산성 및 해상도 측면에서 제한적이거나 퀀텀닷의 효율이 크게 감소되는 문제가 있었다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 나노미터급 템플릿에 퀀텀닷의 용매 성분을 미세하게 조절하여 선택적으로 자기조립하는 기술을 개발하고, 퀀텀닷 패턴을 템플릿에서 분리하고 전사 프린팅하는 새로운 원리를 고안해 풀컬러 나노미터급 패턴을 100%에 달하는 수율로 구현하였다. 이 기술을 활용해 제작한 풀컬러 퀀텀닷 패턴의 해상도를 최대 14,000 ppi 까지 구현하였으며, 퀀텀닷 패턴을 발광효율의 손실 없이 높은 수율로 제작해 소자 성능을 6배 이상 증가시켰다. 
 
□ 용어 설명

퀀텀닷(Quantum dot)
퀀텀닷은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 입자로, 크기와 표면 처리에 따라 광학적, 전기적 특성을 자유자재로 조절할 수 있다. 이 때문에 퀀텀닷을 이용한 디스플레이를 비롯하여 다양한 광전자 소자(발광 다이오드, 태양전지, 광센서, 레이저) 개발에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 

전사 프린팅(Tranfer printing)
미세한 구조를 이루고 있는 나노-마이크로 소재를 특정 기판에서 먼저 제작하고 최종적으로 적용하고자 하는 다양한 기판에 전사하는 방법으로 초기 기판과 최종 기판 간 접착 에너지 경쟁을 효과적으로 제어해 크기가 매우 작아 다루기 민감한 미세구조체들을 대면적으로 다룰 수 있는 범용성 높은 기술이다. 디스플레이, 센서, 나노전자소재, 바이오소재 등 다양한 분야에 적용시킬 수 있어 학술계나 산업계에 모두 활용가치가 높은 기술이다. 
  
퀀텀닷 LED(Quantum dot LED)
기존 LCD 방식 디스플레이의 색 표현력이나 해상도를 상회하고 OLED 소자에 비교해도 색 정확도나 안정성이 우수할 것으로 기대되는 차세대 디스플레이 소자이다. 나노기술이 발전하면서 수 나노미터 크기의 반도체 입자인 퀀텀닷을 발견하고, 이를 대량으로 생산할 수 있는 기술 역시 성숙됨에 따라 기존 재료보다 우수한 이 소재를 실용화해 발광다이오드 기반 디스플레이 소자를 개발하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 이 소자를 양산하기 위해서는 고효율, 친환경 퀀텀닷 소재의 개발 및 용액으로 존재하는 퀀텀닷을 미세한 퀀텀닷 픽셀 배열로 제작하는 기술이 개발이 필요하다.  

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