▲ 이중층 전사 패터닝 기술로 제작한 고해상도 다색 패턴 및 대면적 패턴 = 이중층 건식전사 공정을 통해 얻은 양자점 패턴 사진. 고해상도 다색 패턴 사진(좌측)과 각 위치에 해당하는 내부 적/녹/청 픽셀의 이미지가 삽입되어 있고 대면적 계층 패턴(우측)과 내부 픽셀의 이미지가 삽입되어 있다.

국내 연구진이 초고해상도와 발광 효율을 동시에 높인 양자점 디스플레이 패터닝 기술을 개발하여 더욱 생동감 넘치는 증강/가상현실(AR/VR) 기술 개발에 호재로 작용할 전망이다.

최문기 교수(UNIST)와 양지웅 교수(DGIST), 현택환 단장(IBS 나노입자 연구단) 공동연구팀은 발광층과 전자전달 층을 동시에 기판에 옮기는 이중층 건식 전사인쇄기술을 개발했다.

웨어러블, 사물인터넷 등의 발달로 증강/가상현실(AR/VR) 및 웨어러블 디스플레이의 수요도 증가하고 있는 가운데, 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 있지만 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.

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 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”고 설명하였다.

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

▲ 이중층 전사를 통한 내부 기공 및 균열 감소 = 이중층 전사 공정(하단부)을 진행했을 때 압력에 의한 나노입자의 밀집화로 기존 기술인 스핀코팅 공정 (상단부)과 비교했을 때 내부 기공 및 균열이 억제됨을 확인할 수 있다.