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[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 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 7일 밝혔다.
퀀텀닷(Quantum Dot)이란 별도의 장치가 없어도 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수 나노미터(1 나노미터는 100만분의 1 밀리미터) 크기의 반도체 입자다.
작년 10월 국내 기업이 퀀텀닷 중심의 차세대 디스플레이 양산라인 구축 및 기술개발에 2025년까지 약 13조 원 규모의 투자계획을 발표하는 등 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 부상하고 있다.
하지만 퀀텀닷 소재는 유기발광다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diodes) 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 이러한 제한점을 해결하기 위해 전면 컬러 퀀텀닷 배열의 해상도를 최대 14,000ppi(인치당 픽셀 수)까지 구현하는데 성공했다.
연구과정을 보면 나노미터급 템플릿에 퀀텀닷의 용매 성분을 미세하게 조절해 선택적으로 자기조립하는 기술을 개발했다.
이어 퀀텀닷 패턴을 템플릿에서 분리하고 전사 프린팅하는 새로운 원리를 고안해 풀 컬러 나노미터급 패턴을 100%에 달하는 수율로 구현했다.
이 기술을 활용해 제작한 풀컬러 퀀텀닷 패턴의 해상도를 최대 14,000 ppi 까지 구현했으며 퀀텀닷 패턴을 발광효율의 손실 없이 높은 수율로 제작해 소자 성능을 6배 이상 증가시켰다.
이 연구결과에 의하면 현재 8K 디스플레이의 해상도인 117ppi보다 약 100배 이상에 달한다.
특히 기존 퀀텀닷 나노 패턴 구현 방법과는 원리가 다른 초저압 전사 프린팅 방법을 세계 최초로 개발해 패턴의 해상도와 프린팅 수율 및 퀀텀닷 발광소자 성능을 극대화했다.
정연식 교수는 “단일 퀀텀닷 크기를 갖는 극한 해상도 수준의 패턴도 구현이 가능해서 차세대 디스플레이 분야만 아니라 높은 민감도를 갖는 센서나 광학 소자로의 응용까지 기대된다”고 말했다.
KAIST 신소재공학과 남태원 박사과정이 제1저자로, 김무현 박사과정이 제2저자로 참여한 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스 (Nature Communications)' 에 6월 16일 게재됐다.
이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래 소재 디스커버리 사업의 지원을 받아 수행됐다.
