DGIST이종수 교수팀, 초고해상도 양자점 디스플레이 제작 '직접 광리소그래피'핵심 기술 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 이종수 교수 연구팀이 포토레지스트(감광막)를 사용하지 않고 빛만으로 양자점(Quantum Dot, QD)을 초고해상도로 패터닝하는 직접 광리소그래피(Direct Optical Lithography, DOL)기술을 개발했다.

그리고 이를 통해 고성능 QLED 제작에 필요한 크로스링커(cross-linker) 선택 가이드라인까지 제시했다. 이번 성과는 마이크로 QLED, 초고해상도 디스플레이, 투명 전자소자, 차세대 이미지 센서 등 다양한 광전자소자에 활용될 수 있는 핵심 원천기술로 평가받고 있다.

양 자점은 머리카락 굵기의 10만분의 1 수준인 초미세 반도체 입자로, 크기에 따라 발광 색을 자유롭게 조절할 수 있어 색 재현력이 뛰어난 차세대 디스플레이 소재다. 그러나 기존 포토레지스트 기반 패터닝 공정은 복잡한 절차, 발광 성능 저하, 패턴 변형 등 한계가 있었고, 잉크젯 프린팅이나 마이크로콘택트 프린팅 역시 해상도와 정밀도에서 제약이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 자외선(i-line, 365 nm)에 반응하는 디아지린(diazirine) 기반 크로스링커 TDBA를 도입했다. TDBA는 양자점 표면에 직접 결합할 수 있는 '카복실산 작용기'와 빛에 반응하는 '디아지린 구조'를 모두 갖추고 있어, 빛 조사 한 번으로 양자점과 화학적으로 결합하며 초미세 패턴을 형성한다. 이를 통해 약 2 μm(6,350 DPI) 수준의 초고해상도 패턴 구현에 성공했으며, 뛰어난 정밀도와 안정성도 확보했다.

패터닝 후 'PETMP'라는 티올(thiol) 기반 물질로 후처리해 양자점 표면 결함을 패시베이션(passivation)함으로써 양자효율(PLQY)을 추가로 향상시켰다. 이 과정을 거친 양자점을 발광층으로 적용한 QLED 소자는 최대 외부양자효율 10.3%, 최대 휘도 99,369 cd/m²라는 우수한 성능을 기록했으며, R/G/B 양자점을 활용한 반투명 QLED에서도 양면 발광이 가능함을 입증해 투명 디스플레이 응용 가능성도 열었다.

연구팀은 제작 기술 개발에 더해, 크로스링커의 분자 구조가 양자점 발광 및 전기적 특성에 미치는 영향을 심층 분석했다. 양자역학 계산 기법인 밀도범함수 이론(DFT)을 활용해 황(S) 원자를 포함한 TBBT와 황이 없는 BPDT를 비교한 결과, BPDT가 더 높은 전도성을 나타내어 QLED 성능 향상에 유리하다는 사실을 밝혀냈다. 이는 향후 고해상도·고성능 양자점 디스플레이 제작에 최적의 소재를 선택하는 중요한 기준이 될 전망이다.

이종수 교수는 “이번 연구는 단순히 해상도를 높인 것을 넘어, 양자점의 고유한 발광 특성과 전기적 특성을 유지하면서 안정적으로 제작할 수 있는 방법과 소재 선택 기준을 함께 제시했다”며, “AR·VR 등 차세대 디스플레이 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것"”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 및 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐으며, 양자점 전문기업 DCT(대표 정한일), 한국기초과학지원연구원 채원식 박사팀이 공동 참여했다. 연구 성과는 재료화학 분야 권위 있는 학술지 Nano Letters(IF 9.1)와 ACS Nano(IF 16.0)에 각각 게재됐다.