▲ 다색 퀀텀닷 패턴형성 기술 예시 및 본 기술을 활용한 패턴된 퀀텀닷 발광소자 구현 결과.

국내 연구진이 기존의 반도체 노광기술을 활용해 새로운 양자점 패터닝 기술을 개발했다. 대규모 고해상도 퀀텀닷 장치 제작에 실용적이고 비용이 적게 드는 방법을 제시했다는 평이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 나노포토닉스연구센터의 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 기존 반도체 공정법을 활용한 대면적 미세 퀀텀닷(QD) 패턴 형성 기술을 개발했다.

퀀텀닷은 수 나노미터의 반도체 입자로 크기에 따라 방출할 수 있는 빛의 파장이 달라 개발단가가 낮고 색순도가 높은 특징을 가지며 광변환 효율도 높아 디스플레이·태양전지·광 감지 소자로 응용 연구가 진행 중이다.

이러한 입자들은 전자소자로 활용하기 위해 패턴을 만들어야 하는데 기존의 OLED에서는 발광 유기분자를 진공증착법을 이용했지만 퀀텀닷은 무거운 질량 때문에 새로운 방법에 대한 요구가 있었고 이에 탄생한 방법이 잉크젯 프린터 같이 인쇄하는 방법이었다. 하지만 대면적 기판의 적용이 어렵고 가격경쟁면, 공정 안정성에서 아쉬움이 있었다.

이에 연구진은 기존 반도체 미세 패턴 형성기술인 노광(포토리소그래피) 공정 을 활용해 다색 퀀텀닷 미세 패턴 형성 기술을 최초로 개발했고, 더 나아가 이 기술을 활용하여 패턴된 전기구동 퀀텀닷 발광 소자를 구현하는데 까지 성공했다.

이미 디스플레이 업계에서는 퀀텀닷 기반 백색 광원을 제작, 액정 표시 장치(LCD)의 백라이트로 탑재시켜 퀀텀닷 디스플레이라는 이름의 제품으로 출시한 바가 있으나 퀀텀닷 자체가 각 색상을 발광하는 진정한 의미의 퀀텀닷 디스플레이는 구현하지 못하고 있다.

LCD 디스플레이 기술은 액정 표시 장치의 자체 두께로 인해 얇게 만드는데 한계가 있고 또한 유연하거나 투명한 디스플레이 등에 응용하기 어렵다는 문제가 있다.

연구진은 이번 개발된 기술이 대면적 전자소자 공정에도 활용되는 기술임에 따라 공정 난이도가 낮고, 공정당 퀀텀닷 소모량이 적다는 점에서 공정비용을 줄일 수 있다고 밝혔다. 향후 다양한 퀀텀닷 기반 소자 개발에 필요한 패턴기술의 대안이 될 수 있을 것이라 기대하고 있다.

이번 연구를 통해 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 “기존 반도체 공정 기술을 다색 퀀텀닷 패턴 형성에 응용할 수 있다는 점에서 차별점이 있으며, 활용성이 높아 퀀텀닷 기반 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이어 “향후 AMOLED에 들어가는 유기물을 퀀텀닷으로 대체한 고해상도 디스플레이(AMQDLED)나 다파장 퀀텀닷 기반 광센서 등의 분야로 확장될 수 있는 기술이다.”라고 밝혔다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희, 전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 지원을 통해 수행되었다. 연구결과는 나노 분야 국제학술지인 ‘Nano Letters’에 11월 9일자 최신호에 게재되었고, 국제 유명 과학 뉴스 웹사이트 phys.org에 특집 기사로 소개되기도 했다.