[기계신문] UNIST 최문기 교수, DGIST 양지웅 교수, 기초과학연구원 현택환 나노입자연구단장 공동 연구팀이 발광층과 전자전달층을 동시에 기판에 옮기는 이중층 건식 전사 인쇄기술을 개발했다.
웨어러블, 사물인터넷 등의 발달로 증강/가상현실(AR/VR) 및 웨어러블 디스플레이의 수요도 증가하고 있다. 손목이나 눈에 착용하는 웨어러블 디스플레이는 작은 화면에 다양한 정보를 담아야 하며, 착용 시 어지러움을 예방하기 위해 초고해상도 패터닝 기술이 요구된다.
양자점 나노 입자는 높은 색 순도와 색 재현도를 가져 차세대 디스플레이 발광 물질로 각광받고 있다.
하지만 도장으로 양자점 잉크를 찍어 기판에 옮기는 기존의 건식 전사 인쇄기술은 초고해상도 픽셀(디스플레이의 이미지를 구성하는 가장 작은 단위로 화소) 구현은 가능하지만, 발광효율이 5% 이하로 낮아 실제 디스플레이 제작에는 활용되지 못했다.
연구팀은 적은 전류로도 밝은 빛을 낼 수 있는 발광층-전자전달층 이중층 건식 전사 인쇄기술로 고해상도 화소 패터닝(patterning, 디스플레이의 발광층 혹은 색 변환 층의 적녹청 픽셀을 형성하는 기술) 기술을 개발하고, 초고해상도와 고효율을 동시에 충족하는 발광소자를 제작하였다.
새로운 고밀도 이중층 박막은 발광소자 제작 시 계면 저항을 감소시켜 전자 주입을 원활하게 하고, 누설 전하의 이동이 제어돼 최대 23.3%의 높은 외부양자효율(External Quantum Efficiency, 전류를 흘려 넣어준 전자가 빛을 내는 광자로 변환되는 효율)을 나타냈다. 이는 양자점 발광소자의 최대 이론효율과 유사한 수치다.
또한 새로운 박막을 이용해 최대 20,526 PPI(pixels per inch, 가로세로 1인치 면적에 들어가는 픽셀 수) 양자점 초고해상도 패턴(약 400 nm 픽셀)을 구현하고, 반복 인쇄를 통해 8×8 cm 대면적화에도 성공하여 대량 생산의 가능성을 확인하였다.
나아가 2.6 마이크로미터 두께의 초박막 QLED 소자를 제작하여 웨어러블 디스플레이로의 활용을 선보였다.
최문기 교수는 “이번 연구결과는 뛰어난 색 재현도와 색 순도를 가진 양자점을 스마트 웨어러블 장치 등에 광범위하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다”며 “특히 가상현실(VR) 및 증강현실(AR)에 더 높은 해상도의 화면을 구현함으로써 몰입감 향상이 가능하다”고 설명했다.
한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터, 우수신진연구 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’에 8월 2일 게재되었다.
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