DGIST, 차세대 QLED 핵심 원천기술 확보···양자점 패터닝 혁신

이종수 DGIST 에너지공학과 교수(왼쪽), 이남지 석박사통합과정생, 최동현 박사과정생. [사진=DGIST]

[이뉴스투데이 김진영 기자] DGIST는 이종수 에너지공학과 교수 연구팀이 포토레지스트 없이 빛만으로 양자점(Quantum Dot·QD)을 초고해상도로 패터닝하는 직접 광리소그래피(Direct Optical Lithography·DOL) 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

동시에 고성능 QLED 제작에 필요한 크로스링커 선택 가이드라인도 제시했다. 이번 성과는 마이크로 QLED, 초고해상도 디스플레이, 투명 전자소자, 차세대 이미지 센서 등 차세대 광전자소자 핵심 원천기술로 평가된다.

양자점은 크기에 따라 발광 색을 자유롭게 조절할 수 있는 초미세 반도체 입자로 차세대 디스플레이 소재로 주목받는다. 기존 포토레지스트 기반 공정은 절차가 복잡하고 발광 성능 저하, 패턴 변형 등의 한계가 있었다. 잉크젯이나 마이크로콘택트 프린팅 역시 해상도·정밀도 제약이 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 자외선(365nm)에 반응하는 디아지린(diazirine) 기반 크로스링커 TDBA를 도입했다. TDBA는 양자점 표면과 화학 결합해 빛 조사 한 번으로 약 2㎛(6350 DPI) 수준 초고해상도 패턴을 구현했다.

이후 티올(thiol) 기반 ‘PETMP’로 후처리해 표면 결함을 패시베이션, 양자효율(PLQY)을 향상했다. 이를 적용한 QLED는 외부양자효율 10.3%, 최대 휘도 99,369cd/㎡를 기록, R·G·B 양자점을 이용한 반투명 QLED에서 양면 발광도 입증해 투명 디스플레이 응용 가능성을 열었다.

크로스링커 분자 구조가 성능에 미치는 영향도 분석했다. 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 황(S) 원자가 없는 BPDT가 황을 포함한 TBBT보다 전도성이 높아 QLED 성능 향상에 유리하다는 사실을 규명, 향후 소재 선택 기준을 제시했다.

이종수 교수는 “해상도 향상에 그치지 않고, 양자점의 발광·전기 특성을 유지하며 안정적 제작이 가능하다는 점에서 의미가 크다”며 “AR·VR 등 차세대 디스플레이 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 국가과학기술연구회 지원으로 수행됐다. 양자점 전문기업 DCT, 한국기초과학지원연구원 채원식 박사팀이 공동 참여했다. 연구 결과는 Nano Letters(IF 9.1)와 ACS Nano(IF 16.0)에 각각 게재됐다.