사진. 한국연구재단

한국연구재단은 UNIST 최문기 교수, DGIST 양지웅 교수, IBS 나노입자 연구단 현택환 단장 공동연구팀이 발광층과 전자전달 층을 동시에 기판에 옮기는 이중층 건식 전사인쇄기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 뛰어난 색 재현도와 색 순도를 가진 양자점을 스마트 웨어러블 장치 등에 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
 

기술 개요
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 연구돼 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.

연구내용
이번 연구에서는 양자점/전자수송층의 이중층 건식 전사 프린팅 공정을 개발해 초고해상도 고효율 양자점 발광소자를 구현했다. 전자수송층으로 활용되는 산화아연 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 공정 중 스탬프 변형을 최소화해 전사공정에서 전자수송층 내부 균열을 효과적으로 억제했다. 

이를 기반으로 패터닝을 진행해 최대 20,526 PPI 양자점 초고해상도 패턴(약 400㎚ 픽셀)을 성공했으며, 반복 인쇄를 통해 8×8㎝ 대면적화에도 성공해 대량 생산의 가능성을 보였다.

이중층 전사 공정에서 스탬프에 가해지는 압력에 의해 양자점/산화아연 나노입자 이중층 내부의 나노 기공 및 균열들이 줄어들어 입자간 밀도가 증가한 높은 막질의 박막을 전사해 발광소자를 제작할 수 있었다. 고밀도의 이중층 박막은 발광소자 제작 시 계면 저항을 감소시켜 전자 주입을 원활하게 하고, 필름 내부의 나노기공으로 이동됐던 누설 전하의 이동이 제어돼 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 제작해 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.

연구성과
내부 균열 및 광학적 전기적 성능 저하 없는 양자점/ZnO 나노입자 이중층 건식 전사 프린팅 방법을 개발해 초고해상도 고효율 다색상 패터닝 기술을 구현했다. 나아가 이를 기존 패터닝 기술 대비 월등한 소자 효율의 QLED로 제작했고 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.