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KAIST 신소재공학과 정연식 교수와 전덕영 명예교수 공동연구팀이 적·녹·청 풀 컬러 퀀텀닷 패터닝 프린팅 기술 개발에 성공함.

퀀텀닷이란 별도 장치가 없어도 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수 나노미터(nm·100만분의 1미터) 크기의 반도체 입자를 말함.

연구팀은 풀 컬러 퀀텀닷 배열의 해상도를 최대 1만4000ppi(인치당 픽셀 수)까지 구현하는 데 성공했음. 이는 현재 8K 디스플레이 해상도인 117ppi보다 약 100배 이상임.

연구팀은 특히 기존 퀀텀닷 나노 패턴 구현 방법과는 원리가 다른 초저압 전사 프린팅 방법을 개발해 패턴의 해상도와 프린팅 수율 및 퀀텀닷 발광소자 성능을 극대화하는 데도 성공함.

퀀텀닷 소재는 차세대 디스플레이용 핵심 소재로 떠올랐음. 지난해 10월 삼성디스플레이는 퀀텀닷 중심의 차세대 디스플레이 양산 라인 구축 및 기술 개발에 2025년까지 약 13조원 규모의 투자계획을 발표하기도 했음.

그러나 퀀텀닷 소재는 기존 유기발광다이오드(OLED) 소재와 달리 용매에 녹아 분산된 형태로 존재하기 때문에 기존 디스플레이 패터닝 기술을 적용하기 어려웠음. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅이나 리소그래피와 같은 공정을 적용하고 있지만 양산성 및 해상도가 제한적이거나 공정 과정 중 퀀텀닷의 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었음.

연구팀은 이같은 문제를 해결하기 위해 용매 성분을 미세하게 조절해 수 나노미터에서 수천 나노미터급 주형에 선택적으로 스스로 조립하는 원리에 주목해 공정에 적용했음. 조립된 퀀텀닷 미세 패턴을 분리한 뒤 초저압 방식으로 프린팅하는 기술을 개발, 풀 컬러 나노미터급 패턴을 100% 수율로 구현하는 데 성공함.

연구팀은 “QLED용 퀀텀닷 패턴은 매우 얇아서 외부 압력에 민감하기 때문에 초저압 전사 프린팅 기술을 활용해 패턴 손상을 방지했다”며 “그 결과 QLED 소자의 성능이 기존 전사 프린팅 방식 대비 약 7배나 증가하는 결과를 확인했다”고 밝힘.

정연식 교수는 “이번 연구결과를 활용하면 적녹청 퀀텀닷 픽셀이 개별적으로 발광할 수 있는 초고해상도를 보유한 차세대 능동형 퀀텀닷LED 디스플레이 구현이 가능할 것”이라며 “차세대 디스플레이뿐만 아니라 민감도가 높은 센서나 광학 소자에 응용이 가능하다”고 말함.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ 지에 게재됨