서강대학교(총장 심종혁) 화공생명공학과 강문성 교수, 성균관대 나노공학과 배완기 교수, 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수 공동연구팀이 퀀텀닷(quantum dot, 수나노미터 크기의 반도체 결정, 양자점이라고도 함) 발광 소재를 마이크로미터(micrometer = 10-6 m = 머리카락 두께의 약 100분의 1) 수준의 폭과 간격으로 공정하는 초정밀 패터닝 방법을 개발하였다. 

퀀텀닷은 높은 발광효율과 높은 색순도를 갖는 소재로 보다 밝고 선명한 영상을 구현하는 데 쓰일 차세대 디스플레이 소재이다. 특히나 가상현실, 증강현실 등을 구현하는 미래형 초고해상도 디스플레이 구현의 핵심소재로 최근 산업계와 학계에서 커다란 관심을 받고 있다. 

퀀텀닷 기반의 미래형 디스플레이 구현을 위해서는 다음의 공정 문제들이 반드시 해결되어야 한다. 우선, 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 방출하는 퀀텀닷을 수 마이크로미터 수준의 폭과 간격으로 정밀하게 배치하는 초고해상도 패터닝 공정 개발이 필요하다. 해당 공정은 오차 없이 높은 수율로 진행되어야 하며, 공정 과정에서 퀀텀닷 고유의 발광 특성(방출되는 빛의 색, 광 효율 등) 저하가 발생하지 않아야 한다. 또한, 이 모든 요구사항은 카드뮴, 납, 수은 등의 중금속을 포함하지 않아, 환경적 제약으로부터 자유로운 비중금속계 발광형 퀀텀닷에 대해 만족되어야 한다.  

강문성 교수 공동연구팀 퀀텀닷의 표면에 있는 리간드(퀀텀닷의 분산성 확보를 위해 표면에 도입된 유기물)와 선택적으로 광화학반응(빛이 조사되었을 때 진행되는 화학반응)을 일으켜 이웃한 퀀텀닷 간에 화학적 결합을 형성시키는 광가교 첨가제와 이를 활용한 초고해상도 퀀텀닷 광패터닝(자외선 노광을 통해서 소재의 패턴을 형성하는 기술) 공정 기술을 개발하였다. 
주목할 만한 점은, 높은 성공률로 이웃한 퀀텀닷간 화학적 결합을 형성하면서도 동시에 화학적 결합이 형성되는 과정에서 발생할 수 있는 양자점 발광 특성 저하를 차단하는 광가교제의 화학적 구조를 설계하였다는 점이다. 이를 바탕으로 인듐, 인, 아연, 황 등의 비중금속 원소로만 이루어진 고효율 발광형 퀀텀닷을 발광특성 저하 없이 수 마이크로 수준으로 패터닝할 수 있을 것이라 예상된다. 

서강대 화공생명공학과 강문성 교수는 “개발된 패터닝 공정은 이미 반도체 및 디스플레이 산업에서 범용적으로 사용되고 있는 포로레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 공정과 본질적으로 같아 대면적의 기판에도 고해상도의 균일한 패턴 형성이 담보된 기술로 현장에서 이미 사용되는 설비들을 그대로 사용할 수 있다는 점에서 산업적 적용성이 높다”라고 평하였다. 

UNIST 김봉수 교수는 “공정적용을 위해 양자점을 별도로 개질하는 대신 간단하게 첨가제를 사용하는 형태로, 여러 기업을 통해 이미 생산성이 담보된 고효율 발광형 양자점을 별도의 개질 없이 있는 그대로 사용할 수 있기에 산업적 임팩트가 있을 것으로 기대한다”라고 전하였다. 또한, 성균관대 배완기 교수는 “점점 커지는 미래형 디스플레이 시장에 실질적으로 기여할 수 있을 것”이라고 전했다. 

해당 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노・소재 기술개발 사업, 삼성전자 미래기술육성센터, 삼성디스플레이의 지원을 통해 진행되었으며, 논문은 9월 23일 재료과학 분야의 최상위급 국제학술지인 “어드밴스드 머티리얼즈’(Advanced Materials; 인용지수 32.09)에 발표되었다. 

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