연구팀은 풀 컬러 퀀텀닷 배열의 해상도를 최대 1만4000ppi(인치당 픽셀 수)까지 구현하는데 성공했다. 이 해상도는 현재 8K 디스플레이 해상도인 117ppi보다 약 100배 이상에 달한다. 연구팀은 기존 퀀텀닷 나노 패턴 구현 방법과는 원리가 다른 초 저압 전사 프린팅 방법을 세계 최초로 개발, 패턴 해상도와 프린팅 수율·퀀텀닷 발광소자 성능을 극대화하는 데도 성공했다.

최근 퀀텀닷 소재는 디스플레이용 핵심 소재로 부상하고 있지만 퀀텀닷 소재는 OLED 발광 소재와는 달리 용매에 녹아 분산돼 있는 형태로 존재하기 때문에 기존 디스플레이 패터닝 기술을 적용하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅이나 리소그래피와 같은 공정을 적용하고 있지만, 양산성·해상도 측면에서 제한적이거나 공정 과정 중 퀀텀닷의 효율이 크게 떨어지는 문제가 발생한다.

이에 연구팀은 퀀텀닷의 용매 성분을 미세하게 조절해 수 나노미터에서 수천 나노미터급 주형에 선택적으로 스스로 조립하는 원리에 착안·적용했다. 조립된 퀀텀닷 미세 패턴을 분리한 후, 초 저압 방식으로 프린팅하는 기술을 개발해 풀 컬러 나노미터급 패턴을 100%에 달하는 수율로 구현했다. 특히 QLED용 퀀텀닷 패턴은 극도로 얇아 외부 압력에 매우 민감하기 때문에 초 저압 전사 프린팅 기술을 활용해 패턴의 손상을 방지했는데, 그 결과 QLED 소자의 성능이 기존 전사 프린팅 방식 대비 약 7배나 증가하는 결과를 확인했다.

연구팀 관계자는 "이번 연구 결과를 활용할 경우 적·녹·청 퀀텀닷 픽셀이 개별적으로 발광할 수 있는 초고해상도를 지닌 차세대 능동형 퀀텀닷 LED (Active Matrix QLED) 디스플레이 구현도 가능할 것"이라고 내다봤다. 정연식 교수는 "단일 퀀텀닷 크기를 갖는 극한 해상도 수준의 패턴도 구현이 가능해서 차세대 디스플레이 분야만 아니라 높은 민감도를 갖는 센서나 광학 소자로의 응용까지 기대된다"고 말했다.

남태원 KAIST 신소재공학과 박사과정이 제1 저자로, 김무현 박사과정이 제2 저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 온라인에 지난 달 16일 게재됐다. (논문명: Thermodynamic-driven polychromatic quantum dot patterning for light-emitting diodes beyond eye-limiting resolution)

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 미래 소재 디스커버리 사업(단장 최성율)의 지원을 받아 수행됐다.