[뉴스인뉴스] KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 친환경 InP 양자점의 우수한 광학적 특성을 유지하며 초고해상도 패턴을 제작하는 신기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

디스플레이 패널에 쓰이는 차세대 발광소재로 양자점(Quantum dot)이 각광을 받고 있다. 특히, 카드뮴이나 납과 같은 유독성 물질을 포함하지 않는 친환경 인듐 포스파이드(InP) 양자점이 주목을 받고 있으나 현재 기술로는 초고해상도 구현이 어려워 양자점 LED(QLED) 디스플레이 및 안경형 증강현실/가상현실 기기 적용에 있어 한계를 지닌다.

현재, 국제 유해물질 제한지침 (RoHS, Restriction of Hazardous Substances) 규정을 만족하지 못하는 제품은 많은 나라에서 판매가 금지되므로, 최근 많은 디스플레이 기업은 환경친화적인 특성을 갖춘 InP 양자점을 디스플레이에서의 빛 방출 소재로 채택하여 TV 등 중대형 디스플레이에 적용하기 시작하였다.

그러나 InP 양자점은 외부 환경에 매우 민감한 성질을 가지고 있어 픽셀을 만드는 패터닝 공정 적용시 소재의 광학적 특성이 크게 저하되는 단점이 있어 우수한 광학적 및 전기적 특성이 동시에 요구되는 QLED 디스플레이나, 기존 TV 대비 수십배의 초고해상도를 필요로 하는 안경형 증강현실/가상현실 기기 적용에 어려움이 있었다.

조 교수 연구팀은 자외선을 받으면 산을 발생시키는 광산 발생기(photoacid generator)의 원리를 활용하여 초미세 양자점 패턴을 제작하였다. 양자점이 자외선을 받은 경우, 생성된 산에 의해 양자점 표면이 변화하면서 자외선을 받지 않은 부분 대비 용해도 차이가 생겨 패턴 형성이 가능해지는 원리이다.

연구팀은 패터닝시 손상된 InP 양자점의 발광 효율을 획기적으로 높일 수 있는 양자점 표면 치료법을 개발하였다. 양자점에는 양자점을 둘러싸고 있는 표면 리간드(ligand)들이 있는데, 이 리간드들에 의해 양자점의 발광 효율이 큰 영향을 받는다. 연구팀은 친환경 InP 양자점의 표면 리간드를 개질할 수 있는 맞춤형 후처리 공정을 개발하였고, 이를 통해 최종적으로 높은 발광 효율을 가지는 1 마이크로미터(μm)급 초미세 양자점 패턴을 구현할 수 있었다. 이는 기존의 디스플레이 (TV, 스마트폰, 모니터 등)에서 일반적으로 요구되는 픽셀 너비와 비교했을 때 수십 배 작은 패턴으로 증강현실/가상현실 기기 적용 가능성을 크게 높였다고 할 수 있다.

또한 연구팀은 정밀한 분석을 통해 개발된 광산 발생기 기반의 패터닝 기술의 반응 원리를 규명했고, 개발된 기술이 양자점 LED나 대면적 공정에 쉽게 적용될 수 있음을 증명하였다.

조힘찬 교수는 “이번에 개발한 친환경 InP 양자점 패터닝 기술은 높은 발광 효율과 초고해상도 패턴 제작을 동시에 가능하게 하여 차세대 양자점 LED 기반 디스플레이, 증강현실 기기, 이미지 센서 등 다양한 산업에 실제로 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다”라고 언급했다.

KAIST 신소재공학과 이재환 석사과정 학생이 제1 저자로, 미국 시카고 대학교의 Dmitri V. Talapin 교수가 공동교신저자로, KAIST 생명화학공학과 이도창 교수 연구팀이 공동저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `에이씨에스 에너지 레터스 (ACS Energy Letters)' 에 출판됐다 (논문명 : Direct Optical Lithography of Colloidal InP-Based Quantum Dots with Ligand Pair Treatment).

한편 이번 연구는 한국연구재단 및 삼성전자, 중소벤처기업부 그리고 KAIST의 지원을 받아 수행됐다.

연구 배경

메타버스 시대가 도래하면서 보다 생생한 이미지에 대한 수요가 늘어나며 기업과 소비자가 요구하는 디스플레이 사양이 계속해서 높아지고 있다. 양자점은 높은 색순도, 높은 발광 효율, 용이한 색조절이라는 강점을 바탕으로 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 특히 InP 기반 양자점은 납이나 카드뮴과 같은 유독성 물질들을 포함하지 않아 산업계의 적용 가능성이 높아 많은 관심을 받고 있는 물질이다. 양자점을 차세대 디스플레이에 적용하기 위해서는 높은 해상도의 패턴을 제작하는 기술이 필요하다. 하지만, 기존의 포토레지스트 기반의 양자점 패턴 제작 방식은 소재의 발광 효율을 감소시키며 미세하고 균일한 패턴을 제작할 수 없기 때문에 고해상도/고효율 차세대 디스플레이 구현을 위해서는 새로운 기술의 필요성이 대두된다. 특히 포토레지스트를 사용하지 않는 직접 광학 패터닝 기술이 주목받고 있는데, 이는 포토레지스트 대신 광민감성 물질이 빛 조사 하에서 일으키는 반응을 활용한 용해도 차이를 이용해, 비교적 간단한 공정으로 패턴을 형성하는 방법이다. 하지만 친환경 InP 양자점의 경우 표면 특성이 발광특성에 많은 영향을 끼치기 때문에 본질적으로 빛과 첨가제에 매우 민감하며, 직접 광학 패터닝 공정 후 발광 효율이 급격히 감소하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 친환경 InP 양자점 맞춤의 높은 발광효율을 유지하면서 고해상도 패턴을 제작할 수 있는 기술을 개발하고자 하였다.

 연구 내용

친환경 InP 양자점은 공정 과정 중 발광 효율이 쉽게 저해될 수 있어, 공정 단계를 간소화하면서도 발광 효율을 유지하는 기술 개발이 필수적이다. 나아가 패터닝 과정에서 InP 양자점이 받는 영향 및 상세한 공정 메커니즘에 대한 정밀한 분석이 요구된다. 본 연구는 높은 발광효율의 고해상도 패턴을 제작하기 위해서 친환경 InP 양자점의 리간드 치환 공정에 대한 면밀한 조사를 통해 친환경 InP 양자점의 발광특성과 나노패턴의 물리적 성질이 패터닝 공정에 따라서 어떻게 변화하는지 확인하였다. 또한, 본 연구에서, 패터닝 공정상 발생할 수 있는 효율 감소를 보다 효과적으로 개선하기 위하여 친환경 InP 양자점 맞춤형 표면 치료법을 개발하였다. 본 연구팀은 개발된 공정을 통해 높은 균일도를 갖춘 고해상도/고효율의 나노패턴 형성이 가능하다는 것을 확인하였으며, 전계발광소자의 발광층으로써 적용될 수 있음을 증명했다.

3. 기대 효과

제시된 공정은 최소한의 첨가제를 사용하여 높은 해상도 및 높은 발광 효율의 패턴을 제작할 수 있다. 본 공정은 광산발생기의 종류에 따라서 사용할 수 있는 빛의 종류를 바꿀 수 있다는 장점이 있다. 발광성 나노소재는 발광 특성과 표면 결함이 크게 연관되어 있어, 공정 단계에서 나노소재가 받는 자극 및 손상을 최소화하는 기술 개발이 굉장히 중요하다. 본 연구에서 제시한 패터닝 기술은 나노소재의 광촉매 특성을 응용하여 요구되는 빛의 조사량을 최소화하였으며, 공정을 위한 첨가제의 이중 효과를 입증하여 나노소재의 발광효율이 손상되지 않음을 보였다. 해당 기술이 뛰어난 광학적 성질을 갖는 나노소재들을 기반으로 한 소자 제작에 활발히 응용되어 차세대 디스플레이 (고해상도 TV, 스마트폰, AR/VR) 제작에 큰 도움이 될 것이라 기대한다.

정예원 기자 다른기사 보기