퀀텀닷 패터닝 기술 개발로 고해상도, 대규모 양자점 화소 제작 가능
고성능 디스플레이 경쟁이 뜨거운 가운데, 퀀텀닷(QD: Quantum Dot, 양자점)은 다양하고 순도 높은 빛을 발광하며, 세밀한 색상 표현이 가능하고 높은 색 재현율과 뛰어난 광 변환 효율을 갖고 있어 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 국내 연구진은 최근 새로운 양자점 패터닝 기술로 대규모 고해상도 퀀텀닷 장치 제작에 실용적이고 비용이 적게 드는 방법을 제시했다.
퀀텀닷이란, 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 입자로서, 그 크기에 따라 방출할 수 있는 빛의 파장이 양자 구속 효과에 의해 결정되는 물질이다. 발광파장에 맞춰 분자구조를 일일이 합성해야 하는 유기물과 달리, 입자의 크기에 의해 방출 파장이 결정되므로 개발 단가가 적고 색 순도가 높다는 특징을 갖고 있어 색 재현율이 중요한 디스플레이 소자에서 활용 가능성이 높아 각광받고 있다. 그리고 광 변환 효율도 높아 태양전지나 광 감지 소자 등에서의 응용에 대한 연구들이 진행되고 있다.
전자소자에서 이러한 특징을 가진 입자를 활용하려면, 전자소자 내부에 퀀텀닷 패턴을 형성하는 기술이 필요하다. 유기발광다이오드(OLED)에서는 발광유기분자를 진공증착법으로 기판에 직접 패턴할 수 있었지만, 퀀텀닷은 질량이 무거워 진공증착이 용이하지 않기 때문에 다른 방법을 강구해야 했다.
이러한 재료적 특성 때문에 다양한 방법이 연구되었는데, 그중에서도 가장 주목받고 있던 방법은 도장을 찍듯 퀀텀닷을 기판에 전사하는 방법과, 잉크젯 프린터와 같은 원리로 인쇄하는 방법이었다.
하지만 전사법은 도장의 크기를 키우는 데 한계가 있어 대면적 기판에 적용하기 어렵다는 단점이 있었고, 잉크젯 프린터의 경우 인쇄시간이 많이 걸린다는 단점과 유기용제의 증발 과정 중에 각 패턴이 커피 링 효과로 불균일하게 형성된다는 문제가 있어 대형화나 가격 경쟁, 공정 안정성 부분이 해결 과제로 이슈가 되었다.
노광 공정을 활용한 미세 퀀텀닷 패턴 형성 기술
한국과학기술연구원(KIST) 나노포토닉스연구센터의 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 기존 반도체 공정법을 활용한 대면적 미세 퀀텀닷(QD) 패턴 형성 기술을 개발했다.
연구진은 기존 반도체 미세 패턴 형성 기술인 노광(포토리소그래피) 공정(사진을 찍듯이 빛을 이용하여 미세패턴을 형성하는 기술)을 활용하여 다색 퀀텀닷 미세 패턴 형성 기술을 개발했고, 나아가 이 기술을 활용하여 패턴된 전기구동 퀀텀닷 발광 소자를 구현하는 데까지 성공함에 따라, 이 기술이 향후 디스플레이나 전자 소자에 활용될 가능성을 보였다.
디스플레이 업계에서는 이미 퀀텀닷 기반 백색 광원을 제작해 액정 표시 장치(LCD)의 백라이트로 탑재시켜 퀀텀닷 디스플레이라는 이름의 제품으로 출시했지만, 퀀텀닷 자체가 각 색상을 발광하는 진정한 의미의 퀀텀닷 디스플레이는 구현하지 못하고 있다. LCD 디스플레이 기술은 액정 표시 장치의 자체 두께로 인해 얇게 만드는 데 한계가 있고, 또한 유연하거나 투명한 디스플레이 등에 응용하기 어렵다는 문제가 있다.
때문에 기존 스마트폰 등에 탑재된 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED)처럼 각 퀀텀닷 화소가 직접 색을 내는 디스플레이 기술에 대한 수요가 있었지만 여러 가지 난관이 있었다. 퀀텀닷을 능동형 발광 디스플레이에 활용하기 위해서는 우선 여러 종류의 액상으로 분산되어 있던 퀀텀닷을 원하는 위치에 색상별로 고정시키는 기술이 필요하며, 다양한 색상의 패턴을 대면적에 고해상도로 형성하는 데 있어서 어려운 기술 접근성, 공정비용 상승 등 여러 기술적, 경제적 문제가 있었다.
▲ 그림 1. 다색 퀀텀닷 패턴 형성 기술 예시와 이 기술을 활용해 패턴된 퀀텀닷 발광소자 구현 결과 [고해상도로(왼쪽 위) 노광 공정
(포토리소그래피)을 반복하며 여러 종류의 퀀텀닷 패턴을 동일 기판 표면에 형성할 수 있다(중간 위, 오른쪽 위). 또한 위치별로 두께를
조절할 수 있고 국부적인 미세패턴을 형성할 수 있을 뿐 아니라(왼쪽 아래), 대면적(4인치 기판)에도 동일한 방법으로 패턴을 형성
할 수 있다(중간 아래). 그리고 패턴된 전기구동 퀀텀닷 발광소자 제작도 가능하다(오른쪽 아래).]
퀀텀닷 기반 소자 개발에 필요한 패턴 기술의 대안
이번 연구에서는 기존에 주목받던 방법이 아니라 이미 반도체 공정에서 널리 사용되고 있는 노광 공정을 활용하는 방법으로 연구 방향을 잡았다. 노광 공정은 지금도 대면적, 미세 패턴을 요구하는 반도체 공정에서 널리 사용되고 있기 때문에 기술개발 난이도가 낮고 가격 경쟁력 면에서도 유리한 고지를 가질 것이라는 판단 하에서 선택됐다.
하지만 노광 공정의 경우 대부분의 공정이 유기용제로 진행되므로, 유기용매에 잘 녹아드는 퀀텀닷은 공정 과정 중에 손상을 입기 쉬워 적용이 어려웠다. 결국 이번 연구에서는 유기용매에 녹지 않는 수용성 퀀텀닷을 활용하는 방법으로 이 문제를 극복했다.
연구진은 단순한 퀀텀닷 패턴 결과를 제시하는 것에서 끝나지 않고 패턴 공정 자체가 먼저 패턴된 퀀텀닷에 물리적인 손상을 주지 않고 반복될 수 있음을 나타냈으며, 각 퀀텀닷 패턴의 두께 또한 조절이 가능하다는 것을 제시했다. 더 나아가 패턴된 퀀텀닷 발광 전자소자를 제작해, 이 연구에서 제시한 방법이 실제 반도체 소자에 활용될 수 있다는 것을 나타내기도 했다. 이 기술은 향후 다양한 퀀텀닷 기반 소자 개발에 필요한 패턴 기술의 대안이 될 수 있을 것이라고 기대되고 있다.
이번 연구를 통해 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 “기존 반도체 공정 기술을 다색 퀀텀닷 패턴 형성에 응용할 수 있다는 점에서 차별점이 있고, 활용성이 높아 퀀텀닷 기반 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대된다”며, “향후 AMOLED에 들어가는 유기물을 퀀텀닷으로 대체한 고해상도 디스플레이(AMQDLED)나 다파장 퀀텀닷 기반 광센서 등의 분야로 확장될 수 있는 기술”이라고 설명했다.
이 연구는 미래창조과학부 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼 제어 융합연구단의 지원을 통해 수행됐다.
정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.net)
