포토레지스트·리간드 교환 없이 구현…QD-LED 효율 1.7배·수명 3배 향상

부산대학교 전기전자공학부 노정균 교수와 화학과 황도훈 교수 연구팀이 성균관대학교 임재훈 교수 연구팀과 공동으로, 양자점(Quantum Dot)을 손상 없이 초정밀하게 배열할 수 있는 비파괴형 포토리소그래피 기술을 개발했다. 연구 결과는 국제 학술지 『Advanced Functional Materials』 2월호에 게재됐으며, 표지 논문으로 선정됐다. 양자점 발광다이오드(QD-LED)는 높은 색 순도와 용액 공정 호환성으로 차세대 디스플레이 소재로 주목받아 왔지만, RGB 픽셀을 초고해상도로 구현할 수 있는 패터닝 공정의 한계가 상용화의 주요 장애 요인으로 지적돼 왔다. 기존 잉크젯 프린팅은 해상도 제약이 컸고, 포토레지스트(PR) 기반 포토리소그래피는 공정 중 양자점 손상이나 복잡한 리간드 교환을 동반해 광학 특성 저하 문제가 있었다.

연구팀은 PR 도포·제거 과정과 리간드 교환을 모두 배제하고도 고해상도 패터닝이 가능한 공정으로 접근 방식을 전환했다. 핵심은 양자점 자체를 경화시키지 않고, 주변 고분자만 광가교 결합으로 고정하는 ‘블렌드형 발광층(blended Emissive Layer, b-EML)’ 구조다. 자외선 조사 시 정공수송 고분자(PVK)와 광가교제(FPA)가 3차원 그물망을 형성하며, 그 사이에 양자점이 안정적으로 고정된다. 이 방식은 양자점의 표면 결함 증가를 유발하는 추가 화학 처리를 최소화하면서, 원하는 위치에만 양자점을 남길 수 있다는 점에서 기존 PR-프리 공정의 한계를 보완한다.

연구팀은 해당 공정을 통해 단색 기준 10,000 ppi, RGB 풀컬러 기준 1,000 ppi 이상의 양자점 패턴을 구현했다. 이는 AR·VR용 마이크로디스플레이에 요구되는 초고해상도 수준에 해당한다. 또한 이 패터닝 기술을 적용해 QD-LED 소자를 제작한 결과, 전자 과주입 억제와 정공 주입 향상 효과가 확인돼 외부양자효율이 1.7배 증가하고 구동 수명은 3배 늘어났다. 패터닝 정밀도와 발광 특성 보존을 동시에 달성했다는 점에서, ‘해상도를 높이면 성능이 떨어진다’는 기존의 상충 관계를 공정 구조 차원에서 완화한 사례로 볼 수 있다.

연구팀은 이 기술이 카드뮴을 사용하지 않는 InP(인듐 포스파이드) 기반 탈카드뮴 양자점과 은 나노입자 등 다양한 나노결정 재료에도 적용 가능함을 실험적으로 확인했다. 특정 소재에 한정되지 않는 범용성을 갖춘 공정이라는 점에서, 차세대 디스플레이와 광전자 소자 전반으로의 확장 가능성이 제시됐다. 노정균 교수는 이번 연구가 공정 단순화와 성능 향상을 동시에 달성한 비파괴형 QD 포토리소그래피 기술이라는 점에 의미가 있다고 설명하며, 고해상도·고신뢰성 디스플레이 구현을 위한 공정 선택지로 활용될 수 있다고 밝혔다.

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