양자점 도장으로 초고해상도·고효율 발광소자 제작

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.

국내 연구진이 초고해상도와 발광 효율을 동시에 높인 양자점 디스플레이 패터닝 기술을 개발해 더욱 생동감 넘치는 증강/가상현실(AR/VR) 기술 개발에 청신호가 켜졌다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 최문기 교수(UNIST), 양지웅 교수(DGIST), 현택환 단장(IBS 나노입자 연구단) 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 제작했다.

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.

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 성공해 대량 생산의 가능성을 확인했다.

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 설명했다.