우리 학교 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 친환경 인듐 포스파이드 양자점의 우수한 광학적 특성을 유지하며 초고해상도 패턴을 제작하는 신기술을 개발하였다. 본 연구는 국제 학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재되었다.

양자 효과를 이용해 스스로 빛을 내는 양자점은 QLED 디스플레이에 쓰인다. 현재 디스플레이로 사용가능한 양자점은 크게 카드뮴 셀레나이드, 인듐 포스파이드, 납 기반 페로브스카이트가 있다. 그 중, 카드뮴 셀레나이드와 납 기반 페로브스카이트는 각각 독성 물질인 카드뮴과 납을 함유하고 있어 실생활에 활용하기 어렵다. 반면, 인듐 포스파이드 양자점은 실생활에 적용할 수 있다는 이점을 가지고 있다. 박사 후 연구과정 당시, 조힘찬 교수는 카드뮴 셀레나이드 양자점을 이용한 QLED 기술에 대해 연구하였다. 이를 바탕으로 조 교수는 실생활에 적용할 수 있는 인듐 포스파이드 양자점을 이용한 QLED 기술을 개발했다. 

독성 물질 없는 초고해상도 QLED

연구팀은 인듐 포스파이드 양자점을 이용한 QLED 기술 개발을 위해 직접 광학 패터닝(direct optical patterning) 방식을 사용하였다. 패터닝이란 미세한 패턴을 다른 소자 위에 만드는 공정이며, 디스플레이 등에 이용된다. 양자점 패터닝에는 보통 직접 광학 패터닝이 아닌, 빛에 반응하여 화학적 변화를 일으키는 포토레지스트가 사용된다. 하지만, 이 방식으로 만들어진 패턴은 선 폭이 넓으며 균일도도 떨어진다는 단점을 가진다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 미세한 선 폭을 쉽게 만들 수 있는 직접 광학 패터닝 방식을 선택하였다.

직접 광학 패터닝 기술에 대한 연구는 많이 이루어지고 있다. 그 중에서도 이 연구만이 가지는 차별점은 패터닝 이후 발생하는 발광 효율 저하 문제를 해결했다는 것이다. 인듐 포스파이드 양자점은 카드뮴 셀레나이드 양자점이나 페로브스카이트와 달리 직접 광학 패터닝 방식을 거쳤을 때 발광 정도가 많이 줄어드는 문제를 가진다. 연구팀은 이 문제의 원인을 밝히고 해결책을 제시하였으며, 결과적으로 미세한 패턴을 만들면서도 발광 효율을 높게 유지할 수 있는 직접 광학 패터닝 기술을 개발하였다.

실생활에 적용이 가능한 인듐 포스파이드 양자점을 이용하였으며, 양자점 표면 특성에 따른 발광효율의 변화를 체계적으로 규명한 것이 이 연구가 가지는 의의이다.

직접 광학 패터닝으로 마이크로 스케일을 구현하다

인듐 포스파이드 양자점은 인듐과 포스파이드가 결합한 분자들이 뭉쳐 있는 것이다. 이를 합성하면 인듐과 포스파이드 외에도 소수성(hydrophobic)인 올렐산이 양자점의 겉부분을 감싸게 된다. 광산 발생기에 의해 HCl이 만들어지면, 수소이온이 양자점의 표면을 감싸고 있는 올렐산을 떼어내고, 그 자리에 염소 이온이 붙어 해당 부분이 친수성(hydrophilic)이 된다. 빛을 받고 패터닝을 거쳐 친수성이 된 부분은 소수성인 기존 용매에 녹지 않으므로 패턴이 남게 된다. 이러한 방식으로 직접 광학 패터닝 공정이 이루어진다.

차세대 디스플레이로 거론되는 후보군은 크게 QLED와 OLED가 있다. OLED는 증착 공정을 통해 마이크로 스케일로 패턴을 만드는 것이 가능하지만, QLED에선 이 정도 스케일의 패턴을 만드는 것이 불가능했다. 하지만, 이 연구의 기술을 사용하면 1마이크로미터 스케일이나 그보다도 작은 패턴을 만들어 해상도 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

제1 저자로 참여한 이재환 석사 과정 학생은 연구 과정에서 인듐 포스파이드 양자점 발광 효율 문제를 해결하는 방식을 찾는데 어려움이 있었으며, 관련 논문 자료조사와 연구팀원 간의 많은 대화가 도움이 되었다고 전했다. 더불어 후처리 공정에 집중한 본 연구에서 나아가 이런 공정이 없어도 가능한 이상적인 패터닝 기술을 개발하고자 한다는 목표를 밝혔다.