양자점 도장으로 초고해상도·고효율 발광소자 제작

최문기 양지웅 현택환 교수 공동연구팀, 이중층 건식 전사인쇄기술을 개발

새로운 디스플레이 인쇄기술로 AR/VR 몰입감 향상 기대

연구자 양지웅 유지수 이경훈 최문기

건식 전사 패터닝은 도장(스탬프)으로 잉크(양자점 박막)를 찍어 원하는 기판으로 옮기는 공정입니다. 공정과정 중 스탬프로 잉크 박막에 압력을 가하는데, 이 압력에 의해 양자점과 전하전달층 나노입자들이 빽빽하게 밀집하게 된다. 

UNIST 최문기 교수, DGIST 양지웅 교수, IBS 나노입자 연구 현택환 단장 등 공동연구팀이 발광층과 전자전달 층을 동시에 기판에 옮기는 이중층 건식 전사인쇄기술을 개발했다고 밝혔다.

웨어러블, 사물인터넷 등의 발달로 증강/가상현실(AR/VR) 및 웨어러블 디스플레이의 수요도 증가하고 있다. 손목이나 눈에 착용하는 웨어러블 디스플레이는 작은 화면에 다양한 정보를 담아야하며, 착용 시 어지러움을 예방하기 위해 초고해상도 패터닝 기술이 요구된다.

양자점 나노 입자는 높은 색순도와 색재현도를 가져 차세대 디스플레이 발광 물질로 각광받고 있다. 하지만 도장으로 양자점 잉크를 찍어 기판에 옮기는 기존의 건식 전사 인쇄기술은 초고해상도 픽셀* 구현은 가능하지만, 발광효율이 5% 이하로 낮아 실제 디스플레이 제작에는 활용되지 못했다.

연구팀은 적은 전류로도 밝은 빛을 낼 수 있는 발광층-전자전달층 이중층 건식전사 인쇄기술로 고해상도 화소 패터닝* 기술을 개발하고, 초고해상도와 고효율을 동시에 충족하는 발광소자를 제작하였다.

이중층 전사 패터닝 기술로 제작한 고해상도 다색 패턴 및 대면적 패턴

이중층 전사를 통한 내부 기공 및 균열 감소

* 패터닝(patterning): 디스플레이의 발광층 혹은 색 변환 층의 적녹청 픽셀을 형성하는 기술

새로운 고밀도 이중층 박막은 발광소자 제작 시 계면 저항을 감소시켜 전자 주입을 원활하게 하고, 누설 전하의 이동이 제어돼 최대 23.3%의 높은 외부양자효율(EQE)*을 나타냈다. 이는 양자점 발광소자의 최대 이론효율과 유사한 수치이다.

* 외부양자효율(External Quantum Efficiency): 전류를 흘려 넣어준 전자가 빛을 내는 광자로 변환되는 효율.

또한 새로운 박막을 이용해 최대 20,526 PPI* 양자점 초고해상도 패턴(약 400 nm 픽셀)을 구현하고, 반복 인쇄를 통해 8 cm x 8cm 대면적화에도 성공하여 대량 생산의 가능성을 확인하였다.

나아가 2.6 마이크로미터 두께의 초박막 QLED 소자를 제작하여 웨어러블 디스플레이로의 활용을 선보였다. *PPI(pixels per inch): 가로세로 1인치 면적에 들어가는 픽셀수. PPI가 높을수록 세밀한 화면 표현이 가능.

최문기 교수는 “이번 연구결과 뛰어난 색 재현도와 색 순도를 가진 양자점을 스마트 웨어러블 장치 등에 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라며 “특히 가상현실(VR) 및 증강현실(AR)에 더 높은 해상도의 화면을 구현함으로써 몰입감 향상이 가능하다”라고 설명하였다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터, 우수신진연구 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지‘네이처 포토닉스 (Nature Photonics)’에 8월 2일 게재되었다.

□연구개요

1. 연구의 필요성

○ 최근 웨어러블, 모바일, 사물인터넷 등의 발달로 AR/VR 및 웨어러블 디스플레이를 위한 초고해상도 발광소자에 대한 수요가 날로 높아지고 있다. 손목이나 손가락 또는 눈에 착용하는 웨어러블 디스플레이는 제한된 화면 크기에서 다양한 유형의 정보를 시각화해야 하고 착용시 어지러움을 예방하기 위해 초고해상도 픽셀 구현이 필수적이다.

○ 양자점 나노 입자는 높은 색순도와 색 재현도를 가져 차세대 디스플레이 발광 물질로 각광받고 있으며 풀컬러 고해상도 픽셀 구현을 위해 포토리소그래피, 잉크젯 프린팅, 건식 전사 등 다양한 공정 방식이 연구되어 왔다. 이 중 스탬프를 이용한 건식전사 방식은 공정과정에서 용매에 의한 인접 전하수송층의 용해나 교차 오염 문제가 없이 고해상도 픽셀 구현이 가능하다는 장점이 있어 자발광 디스플레이 제작에 알맞은 기술이다. 그러나 기존 건식 전사 공정은 초고해상도 패터닝에 초점이 맞춰져 있어 발광 소자 구동 시 내부 전하 이동에 대한 연구가 많이 진행되지 않아 5% 이하의 낮은 외부양자효율(EQE)을 보였다.

2. 연구내용

○ 이번 연구에서는 양자점/전자수송층의 이중층 건식 전사 프린팅 공정을 개발해 초고해상도 고효율 양자점 발광소자를 구현했다. 전자수송층으로 활용되는 ZnO 나노입자는 양자점 나노입자와는 달리 표면에 긴 체인을 가진 유기 리간드가 없기 때문에 입자간 인력이 낮아 작은 충격에도 박막이 깨지기 쉽다. 본 연구에서는 국부적으로 스탬프의 표면 탄성계수를 높여 전사 공정중 스탬프 변형을 최소화하여 전사공정에서 전자수송층 내부 균열을 효과적으로 억제하였다. 이를 기반으로 패터닝을 진행하여 최대 20,526 PPI 양자점 초고해상도 패턴 (약 400 nm 픽셀)을 성공했으며, 반복 인쇄를 통해 8 cm x 8cm 대면적화에도 성공하여 대량 생산의 가능성을 보였다.

○ 이중층 전사 공정에서 스탬프에 가해지는 압력에 의해 양자점/ZnO 나노입자 이중층 내부의 나노 기공 및 균열들이 줄어들어 입자간 밀도가 증가한 높은 막질의 박막을 전사하여 발광소자를 제작할 수 있었다. 고밀도의 이중층 박막은 발광소자 제작 시 계면 저항을 감소시켜 전자 주입을 원활하게 하고, 필름 내부의 나노기공으로 이동되었던 누설 전하의 이동이 제어되어 기존 보고된 포토리소그래피, 잉크젯프린팅, 건식 전사 등 다양한 방식의 패터닝 기술로 제작한 양자점 발광소자 대비 훨씬 높은 최대 23.3%의 EQE를 나타냈다.

○ 또한 본 연구에서는 2.6 마이크로미터 두께의 초박막 QLED 소자를 제작하여 웨어러블 디스플레이로의 활용을 선보였다. 이 소자는 머리카락처럼 높은 곡률 반경에도 안정적으로 구동되며 굽힘이나 비틀림에도 잘 견디는 동시에 기존 유연 QLED 대비 높은 발광효율을 나타내며 뛰어난 기계적 광학적 안정성을 나타냈다.

3. 연구성과/기대효과

○ 내부 균열 및 광학적 전기적 성능 저하 없는 양자점/ZnO 나노입자 이중층 건식 전사 프린팅 방법을 개발하여 초고해상도 고효율 다색상 패터닝 기술을 구현했다. 나아가 이를 기존 패터닝 기술 대비 월등한 소자 효율의 QLED로 제작하였고 초박형 양자점 디스플레이로 제작해 양자점 차세대 웨어러블 디스플레이로써 기술적 가치를 증명했다.

○ 이 연구를 통해 개발된 초고해상도 이중층 건식 전사공정은 다양한 나노입자의 패터닝에 광범위하게 적용될 수 있으며, 이를 통해 개발된 초고해상도 고효율 양자점 발광소자는 VR, AR 및 스마트 웨어러블 디바이스에 활용될 것으로 예측된다. 또한 초박형 디스플레이는 향후 차량용 디스플레이 등 다곡형 미래 모빌리티 디스플레이에 활용될 것으로 예측된다.

UNIST 홍보실 제공