부산대·성균관대, 양자점 손상 없이 초정밀 배열 기술 개발

PR·리간드 교환 없는 비파괴 포토리소그래피…AR·VR용 초고해상도 디스플레이 돌파구

부산대학교와 성균관대학교 공동연구팀이 차세대 디스플레이 소재인 양자점을 손상 없이 초정밀하게 배열할 수 있는 새로운 제조기술을 개발했다. AR·VR용 초고해상도·고신뢰성 마이크로디스플레이 구현의 핵심 난제로 꼽혀온 양자점 패터닝 문제를 해결할 수 있는 기술로 평가된다.

부산대 전기전자공학부 노정균 교수, 화학과 황도훈 교수 연구팀은 성균관대 에너지학과 임재훈 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 포토레지스트(PR)와 리간드 교환 과정 없이 양자점(Quantum Dot)을 정밀하게 미세 패터닝할 수 있는 비파괴형 포토리소그래피 기술을 개발했다고 4일 전했다.

양자점 발광다이오드(QD-LED)는 높은 색 순도와 용액공정 호환성으로 차세대 디스플레이 소자로 주목받아 왔지만, RGB 픽셀을 초고해상도로 구현할 수 있는 패터닝 기술의 한계로 상용화에 어려움을 겪어왔다. 기존 잉크젯 프린팅은 해상도 구현에 제약이 있고, 포토리소그래피 기반 공정은 양자점 손상이나 복잡한 리간드 교환 공정이 필요하다는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 PR과 리간드 교환 없이도 양자점을 손상시키지 않고 정밀 배열할 수 있는 '블렌드형 발광층(b-EML) 기반 고해상도 패터닝 기술'을 개발했다. 양자점을 정공수송층 고분자(PVK)와 광가교제(FPA)와 혼합한 뒤 자외선을 조사하면 고분자만 선택적으로 경화돼 3차원 그물망 구조를 형성하고, 그 안에 양자점이 안정적으로 고정되는 방식이다.

이 기술을 통해 연구팀은 단색 기준 1만 ppi, RGB 풀컬러 기준 1000 ppi 이상의 초고해상도 양자점 패턴을 구현했으며, 패턴 충실도와 발광 특성도 기존 대비 크게 향상됐다. 해당 공정을 적용한 QD-LED 소자는 외부양자효율이 1.7배 증가하고, 구동 수명은 3배 이상 향상된 것으로 나타났다.

이 기술은 QD 패터닝 과정에서의 소재 손상과 소자 성능 저하라는 상충관계를 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다. 카드뮴을 사용하지 않는 InP 기반 탈카드뮴 양자점과 은 나노입자 등 다양한 나노결정 소재에도 적용 가능해, 차세대 디스플레이와 광전자 소자 전반으로 활용 범위가 넓을 것으로 기대된다.

노정균 부산대 교수는 "양자점의 손상을 최소화하면서도 공정을 단순화할 수 있는 범용 기술"이라며 "AR·VR용 초고해상도 양자점 디스플레이의 상용화를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 2월호에 게재, 연구의 창의성과 완성도를 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

노정균·황도훈 부산대 교수, 임재훈 성균관대 교수, 이재엽·곽선이 부산대 박사과정생(왼쪽부터).

영남취재본부 조충현 기자 jchyoung@asiae.co.kr