한양대학교 에너지공학과 장재영 교수 연구팀이 한양대 유기나노공학과 정인환 교수, 한국교통대 정용진 교수팀과 페로브스카이트 양자점 고해상도 직접 패턴화 공정을 개발했다고, 한양대가 16일 밝혔다. 

페로브스카이트 양자점(quantum dot)은 높은 발광 특성과 색 순도를 가져 차세대 디스플레이 소재로 주목받지만, 수분, 산소, 열 등 외부 요인에 취약하며, 기존에 알려진 양자점보다 구조적 안정성이 부족하다는 문제점이 있다. 또한 소재에 회로를 새기는 패터닝 공정이 양자점 구조에 치명적인 손상을 줄 수 있어 상용화에 많은 어려움이 있었다.

공동 연구진은 다기능성 유기 단분자를 새롭게 합성하여 페로브스카이트 양자점의 리간드(ligand)로 활용함으로써 이 문제를 해결했다. 이 단분자는 간단한 용액공정으로 양자점의 콜로이드의 구조적 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 

또한 해당 유기 단분자는 광경화성 작용기인 메틸 메타아크릴레이트(methyl methacrylate)를 가져 자외선(UV)에 의한 경화가 가능하다. 즉 유기 단분자 하나로 안정성 문제를 해결함과 동시에 공정성과 광경화성을 확보한 것이다.

또한, 연구진은 올레익산(oleic acid)을 추가로 사용하여 페로브스카이트 양자점 표면에 있는 올레일아민(oleylamine)을 제거하고, 유기 단분자의 치환성을 향상시켰다. 이 표면개질을 통해 양자점 간의 강한 정전기적 상호 작용이 발생하여 조밀하고 핀홀(pin-hole)이 없는 고품질의 양자점 필름 제작이 가능해졌다. 

연구팀은 위와 같은 과정을 통하여 안정적인 고해상도의 패턴 필름을 성공적으로 제작할 수 있었다. 기존에 광개시제나 감광액을 사용하거나 식각 공정이 요구되는 패터닝 공정과는 대조적으로, 본 연구에서 개발한 직접 패턴화 방식은 필름 제작 후 UV 노광 및 현상 과정만을 통해 패턴을 형성할 수 있다는 점에서 공정을 크게 단순화할 수 있을 것으로 기대된다. 

이번 연구를 주도한 장재영 교수는 “이번 연구를 통해 개발된 광경화성 유기 단분자와 페로브스카이트 양자점 패턴 기술은 양자점의 뛰어난 광특성을 유지하며 안정적인 패터닝이 가능하다는 점에서 차세대 디스플레이 및 에너지 응용 분야에 큰 영향을 줄 것”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부의 재원(선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업)으로 한국연구재단의 지원 이번 연구결과는 재료과학 분야 세계적인 권위지인 「Advanced Functional Materials」 최신호에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.

배지우 다른기사 보기