차세대 디스플레이 소재 공정 단순화, 품질 향상 가능해

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.

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

[사진자료] 공동 연구진. (왼쪽부터) 장재영 한양대 교수, 정용진 한국교통대 교수, 정인환 한양대 교수, 노성훈 한양대 박사과정, 정원조 한양대 박사과정

그림 : (좌) 장재영 교수팀이 개발한 광경화성 리간드 구조식과 직접 광패턴 공정 적용 이미지,

어드밴스드 펑셔널 머터리얼스 10월호 표지(Back cover)