왼쪽부터 김봉수 UNIST 교수, 강문성 서강대학교 교수, 강찬모 한국전자통신연구원 책임연구원, 함효빈 UNIST 연구원. UNIST 제공
퀀텀닷(양자점) 화소를 차세대 XR 글라스에 적용할 수 있는 수준으로 작고 반듯하게 패터닝해 낼 수 있는 기술이 개발됐다.
대낮 야외에서도 선명하게 볼 수 있을 정도로 밝고 또렷한 퀀텀닷 XR 글라스에 대한 기대감이 높아지고 있다.
형성된 RGB 퀀텀닷 패턴과 10 × 10 QD-LED 어레이 이미지.UNIST 제공
UNIST 화학과 김봉수 교수와 서강대 강문성 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 강찬모 박사 연구팀은 퀀텀닷을 손상시키지 않고 마이크로 패터닝할 수 있는 디스플레이 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
밝기와 색 순도가 뛰어난 퀀텀닷을 스마트 글라스 같은 XR 기기에 쓰려면 1인치당 3,000개의 화소가 들어갈 수 있을 정도로 화소 크기를 줄이는 마이크로 패터닝이 필요하다. 눈앞에 바로 화면이 펼쳐지는 기기 특성상, 화소가 크면 모기장처럼 나타나 몰입감을 떨어뜨리고 눈 피로를 유발하기 때문이다.
가교제의 성능. 가교후에도 퀀텀닷의 발광 성능을 저해하지 않음을 보여주는 그래프.UNIST 제공
연구팀이 개발한 기술은 퀀텀닷 화소를 머리카락 굵기보다 수십 배 얇은 2마이크로미터(㎛) 크기로 작게 패터닝할 수 있다.
실험에서 1인치당 4,000개의 퀀텀닷 화소를 집적하는 4,000PPI(Pixel Per Inch)의 초고해상도를 달성했으며 이를 넓이로 환산하면 동전 크기만 한 공간에 1,000만개 이상의 화소를 집적한 수준이다.
무엇보다 퀀텀닷의 손상이 없고 화소의 모양과 배열이 설계된 대로 정확히 나온다.
포토레지스트막을 퀀텀닷 잉크를 가두는 틀로 활용한 제조 공정 모식도. UNIST 제공
포토레지스트(감광액)막을 '틀'로 사용하는 새로운 공법과 자체 개발한 첨가제(가교제)가 비결이다.
포토레지스트는 반도체 공정에서 빛으로 미세한 회로를 그릴 때 쓰이는 소재다.
연구진은 빛을 이용해 포토레지스트막에서 퀀텀닷 잉크가 배열될 공간들을 미리 도려내고 그 위에 퀀텀닷 잉크를 얇게 도포하는 방식을 썼다.
가교와 패터닝 공정 이후에도 발광 성능 변화가 없음을 보여주는 그래프. UNIST 제공
틀 역할을 했던 포토레지스트막만을 용매로 제거하면 네모 반듯한 퀀텀닷 화소만 남게 된다.
특히 퀀텀닷 잉크 속에는 특수 첨가제(Diazo-4-LiXer)가 들어있어 포토레지스트를 용매로 벗겨낼 때 퀀텀닷 잉크가 같이 씻겨 나가지 않는다.
용매로 제거하기 전 가열해 첨가제를 활성화시키면 퀀텀닷 입자들이 서로 단단히 고정돼 모양이 유지되는 원리다.
자외선 활성화 방식과 달리 자외선의 고에너지 때문에 발생하는 손상이 없으며 열 활성화 온도도 110도로 낮아 열 손상도 차단했다.
또 연구팀은 10x10 배열의 풀컬러 RGB 퀀텀닷 발광다이오드(QD-LED) 어레이를 실제 제작해 안정적인 빛을 내는 것을 확인하며 상용화 가능성도 입증했다. 김수빈기자 gpfk2202@
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