양자점(Quantum Dot)을 사용하여 더 밝고 선명한 나노 픽셀 구현

초고해상도 구현, 나노 디스플레이 등에 활용 가능

3D프린팅연구조합

최근 몇 년 동안 디스플레이 해상도가 엄청나게 향상되었기 때문에 일부는 8K 디스플레이라고 하는 최신 HD TV가 사람의 눈으로 구별할 수 있는 해상도 향상의 한계에 도달했는지 궁금해 하고 있다. 그러나 마이크로 프로젝션, 증강 및 가상 현실 (AR/VR)과 같은 일부 적용분야에 있어 연구원들은 계속해서 더 작은 픽셀 크기와 더 높은 픽셀 밀도를 추구하고 있다. 그리고 이러한 노력은 결국 디스플레이 픽셀을 만드는 데 일반적으로 사용되는 2D 패터닝 접근 방식에 의해 부과되는 픽셀 밝기와 같은 몇 가지 실질적인 한계에 부딪치게 된다.

마이크로 LED 시장은 17년 2.5억 달러 규모의 시장이 형성되어 연평균 54.7% 성장률로 25년 199.2억 달러 규모의 시장을 예측하고 있다. 디스플레이 패널로는 2025년 전체시장의 98% 수준을 차지하며 약 196억 달러 규모의 디스플레이 분야에 적용되며 TV, 스마트폰, 웨어러블 기기를 포함하는 전자제품의 마이크로 LED 시장은 160억 달러로, 82% 이상을 점유할 것으로 예측하고 있다.

한국전기연구원과 홍콩의 연구자들은 디스플레이용 픽셀 제조에 대한 새로운 3D 프린팅 접근 방식을 발표했다. 2D 패터닝 방법보다 더욱 더 높은 양자점(QD, 빛이나 전기자극을 받으면 다양한 색상의 빛을 발생시키는 나노입자)이라고도 알려진 발광 나노 입자로 스파이크된 폴리머의 독립형 나노 기둥에 수직으로 픽셀을 구축했다.

연구팀은 3D 프린팅 프로세스를 통해 2D 패터닝으로 만든 것보다 두 배 더 밝은 620nm 너비의 순수한 색상 픽셀을 생성 할 수 있다고 보고했으며, 표재현박사는 ‘이 방법이 현재 상용 기술의 한계보다 약 5배 높은 "초고밀도"로 이러한 나노 크기 픽셀을 배치 할 수 있다’고 밝히고 ‘디스플레이 기술뿐 아니라 데이터 저장, 암호화 및 기타 응용 프로그램에서 잠재력을 제공할 수 있는 부가적인 특성을 가진다’고 강조했다.

기존 기술의 한계를 극복하기 위한 방법

포토 리소그래피(photolithography) 외에도 디스플레이 픽셀을 인쇄하는 일반적인 2D 방법에는 잉크젯 및 전기 유체 역학 젯 (e-jet) 인쇄 및 전사 인쇄 기술이 사용되어 왔다. 이러한 방법은 발광 물질을 필름 층에 프로그래밍 가능한 패턴으로 놓은 다음 디스플레이 또는 기타 기술을 만드는데 사용되어 왔다.

이러한 종전의 기술의 문제점은 픽셀이 작을수록 포함할 수 있는 발광 물질이 적어짐에 따라 더 어두워진다. 픽셀을 수직으로 두껍게 하기 위해 인쇄 프로세스를 반복하여 밝기를 다소 높일 수 있으나 실제로는 픽셀을 가로로 번져서 달성 가능한 해상도를 감소시키는 경향이 있다.

문제점 해결을 위한 3D 프린팅의 접근 방식

다른 접근법을 시도하기 위해 최근 발표한 한국전기연구원 설승권박사 연구팀은 이 나노 광자 제조를 위해 4년 전에 개발한 3D 나노프린팅 방법을 적용했다

높은 양자 효율과 장기 안정성으로 유명한 QD를 픽셀에 사용할 발광제로 선택하고 발광 나노 입자로 폴리스티렌(polystyrene) 고분자 용액 샘플을 도핑하여 각각 다른 파장 (650nm (빨간색), 540nm (녹색) 또는 480nm (파란색))에서 방출하는 세 가지 폴리머 잉크를 제조한다.

다음으로는 이러한 QD 도핑 잉크로 픽셀을 제조하는 공정에 착수하여 펨토(1000조분의 1) 리터 양의 잉크를 분출하기 위해 노즐 직경이 약 630nm인 테이퍼 형 유리 "나노 피펫"을 사용한 후, 기판에서 위쪽으로 이동함에 따라 노즐은 직경이 약 620nm, 높이가 2~10μm인 폴리머 기둥을 형성하여 공기 중에서 빠르게 경화시킨다.

각 픽셀을 구축하기위한 실행이 끝나면 피펫을 상부로 이동시켜 나노 기둥을 생성을 마무리한 후, 전동식 스테이지가 기판 위치를 조정하고 프로세스가 반복되어 다음 3원색의 픽셀을 구축하는 과정을 반복한다.

밝기 제어는 어떻게?

3D 프린팅 프로세스의 결과는 가늘고 독립된 수직 폴리머 나노 와이어 배열로, 각각은 빛이나 전기에 의해 자극 될 때 다른 색상으로 빛을 방출하는 양자점으로 구성된다.

픽셀 방출에 대한 다양한 테스트에서 기둥이 높을수록 픽셀이 더 밝아진다. 그러나 테스트 결과 나노 기둥이 더 높게 구축해도 픽셀의 스폿 크기에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 해상도를 감소하지 않고 작은 픽셀임에도 밝게 할 수 있는 가능성을 제공한하는 것으로 픽셀 밝기를 높이는 또 다른 방법은 단순히 폴리머 용액에서 양자점의 밀도를 높이는 것이 중요하다.

연구진은 또한 하나의 적색, 녹색 및 청색 방출 나노 기둥으로 구성된 삼각형을 서브 픽셀로하는 삼각형 "델타 형" 픽셀 배열의 픽셀을 테스트 한 결과, 레이저 광으로 하위 픽셀을 선택적으로 간섭하면 3원색의 구성 요소를 혼합하여 QD를 조금씩 움직여 다른 색상의 표현이 가능하다고 밝혔다.

5배의 해상도 증가

연구팀은 이 연구결과 기존의 박막 기반 방법보다 2배 더 밝은 픽셀을 생성이 가능하다. 각 3원색색의 측면 치수가 620 nm이고 피치가 3µm로 델타 형 기하학에서 서브 픽셀로 배치하면 나노 기둥이 면적이 인치당 5600픽셀 (ppi)의 높은 해상도가 가능하다. 즉, 상용 기술의 5배 이상의 1000ppi 한계의 5배 이상의 고해상도의 구현이 가능하다.

표재연박사는 ‘이러한 높은 해상도는 미래의 초고해상도 디스플레이, 특히 마이크로 프로젝션 및 AR/VR에 활용되는 나노 디스플레이 등 유사한 적용 분야의 웨어러블 기술에 사용될 수 있다’고 밝히고 있다. 아울러 연구원들은 위조 방지, 정보 저장 및 암호화 응용 프로그램과 같은 첨단 보안 응용 프로그램의 활용도 전망하고 있다. 향후 이들의 연구결과는 최종 상업적으로 성공하기 위해서는 femtoliter-nozzle system을 확장하기 위한 추가적인 노력이 필요하다는 의견을 밝히고 있다.