초미세 반도체 공정기술로 퀀텀닷(Quantum Dot) 디스플레이 만든다 - 새로운 퀀텀닷 패터닝 기술 개발로 고해상도, 대규모 양자점 화소 제작 가능
연구팀 나노포토닉스연구센터
초미세 반도체 공정기술로
퀀텀닷(Quantum Dot)* 디스플레이 만든다.
- 새로운 퀀텀닷 패터닝 기술 개발로 고해상도, 대규모 양자점 화소 제작 가능
- 능동형 퀀텀닷 발광다이오드(AMQDLED), 태양전지 등 광범위한 분야에 활용 기대
*퀀텀닷 : 양자점, 자체적으로 빛을 내는 나노미터(nm)의 초미세 반도체 결정
고성능 디스플레이 경쟁이 뜨거운 가운데, 퀀텀닷(양자점(Quantum Dot), QD)은 다양하고 순도 높은 빛을 발광하며 세밀한 색상 표현이 가능하여, 높은 색 재현율과 뛰어난 광변환 효율로 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 새로운 양자점 패터닝 기술로 대규모 고해상도 퀀텀닷 장치 제작에 실용적이고 비용이 적게 드는 방법을 제시했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 나노포토닉스연구센터의 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 기존 반도체 공정법을 활용한 대면적 미세 퀀텀닷(QD) 패턴 형성 기술을 개발했다. 연구진은 기존 반도체 미세 패턴 형성기술인 노광(포토리소그래피) 공정* 을 활용하여 다색 퀀텀닷 미세 패턴 형성 기술을 최초로 개발하였고, 더 나아가 이 기술을 활용하여 패턴된 전기구동 퀀텀닷 발광 소자를 구현하는데 까지 성공, 이 기술이 향후 디스플레이나 전자 소자에 활용 될 수 있는 가능성을 보였다.
*노광(포토리소그래피) 공정 : 사진을 찍듯이 빛을 이용하여 미세패턴을 형성하는 기술
이미 디스플레이 업계에서는 퀀텀닷 기반 백색 광원을 제작, 액정 표시 장치(LCD)의 백라이트로 탑재시켜 퀀텀닷 디스플레이라는 이름의 제품으로 출시한 바가 있으나 퀀텀닷 자체가 각 색상을 발광하는 진정한 의미의 퀀텀닷 디스플레이는 구현하지 못하고 있다. LCD 디스플레이 기술은 액정 표시 장치의 자체 두께로 인하여 얇게 만드는데 한계가 있고 또한 유연하거나 투명한 디스플레이 등에 응용하기 어렵다는 문제가 있다. 때문에 기존 스마트폰 등에 탑재된 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED)처럼 각 퀀텀닷 화소가 직접 색을 내는 디스플레이 기술에 대한 수요가 있었으나 여러 가지 난관이 있었다. 퀀텀닷을 능동형 발광 디스플레이에 활용하기 위해서는 우선 여러 종류의 액상으로 분산되어 있던 퀀텀닷을 원하는 위치에 색상별로 고정시켜야하는 기술이 필요하며, 다양한 색상의 패턴을 고해상도로 대면적으로 형성하는데 있어 기술 접근성의 어려움, 공정비용의 상승의 문제 등 여러 기술적, 경제적 제한이 있었다.
연구진은 이번 개발된 기술이 대면적 전자소자 공정에도 활용되는 기술임에 따라 공정 난이도가 낮고, 공정당 퀀텀닷 소모량이 적다는 점에서 공정비용을 줄일 수 있다고 밝혔다. 향후 다양한 퀀텀닷 기반 소자 개발에 필요한 패턴기술의 대안이 될 수 있을 것이라 기대하고 있다.
이번 연구를 통해 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 “기존 반도체 공정 기술을 다색 퀀텀닷 패턴 형성에 응용할 수 있다는 점에서 차별점이 있으며, 활용성이 높아 퀀텀닷 기반 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대된다. 향후 AMOLED에 들어가는 유기물을 퀀텀닷으로 대체한 고해상도 디스플레이(AMQDLED)나 다파장 퀀텀닷 기반 광센서 등의 분야로 확장될 수 있는 기술이다.”라고 밝혔다.
본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희, 전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 지원을 통해 수행되었다. 연구결과는 나노 분야 국제학술지인 ‘Nano Letters’(IF:13.779)에 11월 9일자 최신호에 게재되었고, 국제 유명 과학 뉴스 웹사이트 phys.org에 특집 기사(Featured article)로 소개되기도 했다.
*phys.org 특집 기사(Featured article) 링크
http://phys.org/news/2016-11-scientists-bottleneck-fabricating-quantum-dot.html
* (논문명) ‘Alternative Patterning Process for Realization of Large-area, Full-color, Active Quantum Dot Display ’
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 박준서 연구원,
동국대학교 김지훈 교수,
한국과학기술연구원 김홍희 학생연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 한일기 박사, 박준서 연구원
[붙임] 연구결과 개요, 그림 설명, 연구진 이력사항
연 구 결 과 개 요
퀀텀닷(양자점)이란, 수 나노미터 크기의 반도체 입자로서, 그 크기에 따라 방출할 수 있는 빛의 파장이 양자 구속 효과에 의해 결정되는 물질이다. 발광파장에 맞추어 분자구조를 일일이 합성해야하는 유기물과 달리 입자의 크기에 의해 방출파장이 결정되기 때문에 개발 단가가 적고 색 순도가 높다는 특징이 있어 색 재현율이 중요한 디스플레이 소자에서의 활용 가능성에 대하여 많은 각광을 받고 있으며, 광 변환 효율도 높아 태양전지나 광 감지 소자 등에서의 응용에 대한 연구들이 진행 중이다.
이러한 특징을 갖는 입자를 전자소자에서 활용하기 위해서는 전자소자 내부에 퀀텀닷 패턴을 형성하는 기술을 필요로 한다. 유기발광다이오드(OLED)에서는 발광유기분자를 진공증착법으로 기판에 직접 패턴을 할 수 있던 반면, 퀀텀닷은 그 질량이 무거워 진공증착이 용이하지 않아 다른 방법을 강구해야만 했다. 이러한 재료적 특성 때문에 여러 방법이 개발되어 왔는데, 가장 주목을 받고 있던 방법은 도장을 찍듯 퀀텀닷을 기판에 전사하는 방법과 잉크젯 프린터와 같은 원리로 인쇄하는 방법이 있었다. 하지만 전사법은 도장의 크기를 키우는데 한계가 있어 대면적 기판에 적용하기 어렵다는 단점이 있었고, 잉크젯 프린터의 경우 인쇄시간이 많이 걸린다는 단점과 유기용제의 증발 과정 중에 각 패턴이 커피 링 효과로 불균일하게 형성되는 문제가 있어 대형화나 가격경쟁면, 공정 안정성에 이슈가 있었다.
본 연구에서는 기존에 주목을 받던 방법이 아니라 기존 반도체 공정에서 널리 쓰이는 노광공정(포토리소그래피)을 활용하는 방법을 적용하는 방향으로 연구를 진행하였다. 노광공정은 현재도 대면적, 미세패턴을 요구하는 반도체 공정에 널리 사용되고 있으므로 기술개발 난이도가 낮고 가격 경쟁면에서도 유리한 고지를 가질 것이라는 판단 하에 선택되었다. 하지만 노광공정은 유기용제로 대부분의 공정이 진행됨에 따라 유기용매에 잘 녹아드는 퀀텀닷은 공정 과정 중에 손상을 입기 쉬워 적용이 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 유기용매에 녹지 않는 수용성 퀀텀닷을 활용하는 방법으로 이러한 문제를 극복하였다.
연구진은 단순한 퀀텀닷 패턴 결과를 제시하는데서 끝나지 않고 패턴 공정 자체가 먼저 패턴된 퀀텀닷에 물리적인 손상을 주지 않고 반복될 수 있음을 보였으며, 각 퀀텀닷 패턴의 두께 또한 조절이 가능함을 제시하였다. 더 나아가 연구진은 패턴된 퀀텀닷 발광 전자소자를 제작, 본 연구에서 제시한 방법이 실제 반도체 소자에 활용될 수 있음을 제시하기도 하였다.
그 림 설 명
<그림 1> 다색 퀀텀닷 패턴형성 기술 예시 및 본 기술을 활용한 패턴된 퀀텀닷 발광소자 구현 결과
(좌상)고해상도로 (중상),(우상)노광공정(포토리소그래피)을 반복하며 여러 종류의 퀀텀닷 패턴을 동일 기판 표면에 형성할 수 있으며, (좌하)위치별로 두께를 조절 할 수 있고, 국부적인 미세패턴 형성뿐만 아니라 (중하)대면적(4인치 기판)에도 동일한 방법으로 패턴 형성이 가능함을 보임. (우하) 더 나아가 패턴 된 전기구동 퀀텀닷 발광소자 제작이 가능함을 보임.
한일기 박사 (교신저자) 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 한일기
○ 소 속 : 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부
나노포토닉스연구센터
3. 주요경력사항
○ 1998～1999 University of Maryland at CP, Research Associate
○ 2005～2006 University of Maryland at CP, Visiting Scholar
○ 2006～현재 과학기술연합대학원대학교 교수
○ 2006～현재 경희대학교 학연교수
4. 전문분야
나노포토닉스, 화합물반도체 광소자, 화합물반도체 태양전지
박준서 연구원 (교신저자) 이력사항
1. 인적사항
○ 성 명 : 박준서
○ 소 속 : 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부
나노포토닉스연구센터
3. 주요경력사항
○ 2012～현재 한국과학기술연구원 연구원
4. 전문분야
나노포토닉스, 퀀텀닷 발광소자, 시분해분광학, 전자구조계산