우리 학교 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 초고해상도 패턴을 제작하더라도 발광 나노 소재의 발광 효율을 높게 유지할 수 있는 패터닝 기술을 개발했다고 지난달 17일 밝혔다. 신소재공학과 맹성규 석사과정과 박선재 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 본 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 지난달 16일에 게재됐다.
 

패터닝과 나노 발광 소재

패터닝은 원하는 위치에 원하는 물질을 정확하게 놓는 행위 자체를 총괄적으로 부르는 단어이다. 그 중에서 연구팀은 디스플레이 연구실이기 때문에, 여러 발광 소재를 미세하게 패터닝해서 RGB 픽셀을 구현하는 패터닝을 주로 진행한다. 연구에 사용되는 발광 소재는 양자점과 페로브스카이트 나노결정으로 모두 최근에 각광받는 발광 나노 소재이다. 양자점은 최근에 삼성에서도 디스플레이에 도입한 소재로 밴드 갭을 가지는 반도체 물질의 크기 조절을 통해 밴드갭 조절이 가능하여, 손쉽게 다양한 스펙트럼의 빛을 발광하게 제작 가능하다는 특징이 있다. 하지만, 양자점을 만드는 과정에서 표면에 결함이 생기면 광학적 성질이 저하되는 단점이 있다.

페로브스카이트 나노결정의 경우에는 양자점과 다르게 Defect Tolerance라는 구조적 특성에 의해, 표면 결함에 대한 광학적 성질 저하가 적은 물질이다. 또한, 페로브스카이트 나노결정은 할라이드 이온이 들어가는데 그 할라이드 이온에 염화 이온을 넣는지 아니면 브로민화 이온을 넣는지에 따라 색의 조정이 가능하다. 양자점의 경우에도 색 순도가 좋아 원하는 색 범위에 꽤 정확하게 들어가게 만들 수 있고, 페로브스카이트 나노결정은 더 정확하게 들어가 수 있기 때문에 둘 다 차세대 발광 소재로 주목받고 있다. 

초고해상도 패터닝 기술의 어려움

삼성에서 상용화하여 최근 디스플레이에 많이 사용되고 있는 방식이 잉크젯 프린팅으로, 잉크를 원하는 위치에 떨어뜨려 패터닝하는 기술이다. 그러나 잉크의 물리적인 한계점 즉, 잉크의 크기를 어느 정도 이하로 줄이는데 한계가 존재하기 때문에 10~20 μm 이하의 분해능을 가지기는 어렵다. 다른 방법으로는 포토리소그래피(Photolithography)라는 방법이 있는데, 이는 빛에 반응하는 광감성 물질인 포토레지스트를 이용한다.

그러나 양자점이나 페로브스카이트 나노결정 같은 나노 발광 소재는 이런 기존의 공정을 버티기에는 환경에 취약해서 빛을 이용하여 패터닝하는 기술을 사용하고 있다. Direct Optical Patterning이라고 불리는 이 기술은 빛에 민감한 리간드나 첨가제를 패터닝하고자 하는 물질과 같이 넣어 빛을 비췄을 때 화학적 반응을 통해 물질의 용해도가 변화하는 것을 이용한다. 패터닝하고자 하는 물질의 용해도가 변화하면 현상(development) 과정에서 물질의 리간드가 얼마나 붙어있는지, 빛을 비춰줬는지 아닌지 등이 구별되어 나타난다.

용해도 변화 과정도 두 가지가 있다. 먼저, 양자점이나 페로브스카이트 나노결정 표면에 붙어있는 리간드를 떼는 것이 있고, 두 번째는 본 연구에서 사용한 방법으로 리간드끼리 결합시켜 용해도를 바꾸는 것이다. 연구팀은 페로브스카이트 나노결정에 티올 첨가제를 넣어 티올-엔 반응을 빛으로 유도하면 티올 첨가제가 서로 다른 나노결정의 리간드 사이에 화학적 결합을 형성하면서 리간드끼리 교차결합하는 방식으로 용해도를 조절하여 패턴을 구현하였다.

또한, 광화학 반응으로 생성된 라디칼로 인해 나노 소재에 악영향을 줄 수 있는데, 이 문제는 페로브스카이트 나노결정의 고유적인 특성을 이용하여 첨가제를 첨가하지 않고, 나아가 첨가제의 리간드 특성을 활용해 최대한 광학적 성질을 떨어뜨리지 않는 방법으로 해결하며 초고해상도 패턴을 구현화할 수 있는 기술을 개발하게 되었다.

맹 석사과정은 연구를 진행하면서, 티올 첨가제를 추가했을 때 리간드를 결합하는 거 외에도 페로브스카이트 나노결정의 결함을 보완해 주는 표면 패시베이션 반응이 있으리라 예측은 했지만, 예상 외로 광학적 성질을 적게 떨어지게 하는 것이 아니라 오히려 높여준다는 사실을 관측해서 신기했다고 밝혔다. 또한, 이 연구는 양자점이나 페로브스카이트 나노결정 외에도 다른 물질로도 가능하나는 것을 발견했기 때문에 더 많은 물질들을 시험해 보고, 산업적인 측면에서는 어떻게 사용할지 연구하고 있다고 덧붙였다.