고무처럼 늘려도 화질 변화가 없는 퀀텀닷(양자점) 디스플레이 원천기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 연구팀은 최문기 UNIST 교수, 양지웅 DGIST 교수팀과 공동으로 세계 최고 성능의 스트레처블 QLED(퀀텀닷발광다이오드) 개발에 성공했다.

폴더블, 롤러블을 넘어선 새로운 폼팩터(기기 형태)를 가진 개발이 활발하다. 폼팩터 혁신의 핵심은 스트레처블 디스플레이다. 지금까지 개발된 스트레처블 디스플레이는 신축 시 발광부를 제외한 배선부만 늘어나는 구조였다. 신축 시 화면에서 발광부가 차지하는 면적 비율(필 팩터)이 감소해 화질이 떨어지고, 발광부와 배선부 간 계면의 기계적 신뢰성이 떨어지는 문제가 발생한다.

화질 저하 문제 해결을 위해서는 신축 시 배선부와 발광층이 모두 늘어나는 ‘본질적 신축성’이 있는 발광소자 개발이 필수다. 본질적 신축성 발광소자 개발을 위한 기존 연구들은 발광물질로 유기전자 복합소재를 활용해왔다. 하지만 유기전자 복합소재는 이동도 및 색 재현력 측면에서 상용화 수준의 성능에 이르지 못한다는 한계가 있다.

IBS 연구진은 퀀텀닷을 발광물질로 활용하는 새로운 신축성 발광층을 고안했다. 우선 연구진은 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 퀀텀닷과 탄성을 가진 고분자(SEBS-g-MA), 정공 전달 소재를 균일하게 섞은 용액을 제작했다. 이후, 이 용액을 스핀 코팅¹⁾ 기술을 이용해 40nm 두께의 균일한 발광층으로 만들었다.

공동 제1저자인 김동찬 가천대 교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원)는 “우리 연구진은 신축성 퀀텀닷 발광층에 적용할 수 있는 고해상도 패터닝 기술도 새롭게 개발했다”며 “발광 소재와 패터닝 기술을 결합해 RGB 3색의 픽셀을 모두 함유한 풀컬러 스트레처블 QLED 디스플레이 소자를 완성할 수 있었다”고 설명했다.

연구진이 제조한 소자의 최고 휘도(밝기)는 1만5,170니트(nits), 구동 전압은 6.2V로 지금까지 개발된 신축성 퀀텀닷 발광소자 중 가장 우수한 성능을 보였다. 기존 성능이 가장 우수하다고 보고된 2022년 미국 스탠퍼드대 연구진이 개발한 소자는 휘도 7,450니트, 구동 전압 15V였다. 성능을 대폭 혁신한 것이다.

이 소자는 양옆으로 당기는 힘이 가해져도 기계적 손상이나 발광 성능 저하가 발생하지 않는다. 또, 최대 1.5배까지 늘려도 소자 내 퀀텀닷 간의 거리에 큰 변화가 없었다. 가령, 이 소자로 20인치의 QLED TV를 만든다면, 30인치 크기까지 잡아당겨도 동일한 발광 성능을 유지할 수 있다.

공동 교신저자인 최문기 UNIST 교수(前 IBS 나노입자 연구단 연구원)는 “퀀텀닷 발광소자의 고해상도․고색재현력이라는 장점을 살리면서 신축 시에도 성능이 떨어지지 않는 소자를 구현했다는 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “휘도는 높이고, 구동 전압은 낮추는 등 성능 최적화를 위한 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

연구를 이끈 김대형 부연구단장은 “스트레처블 소자를 활용한 형태 가변 디스플레이는 차세대 디스플레이 발전의 핵심 트렌드”라며 “자동차 내부 곡면 디스플레이 등 플렉서블이나 폴더블 폼팩터로는 구현이 어려운 곳에 우리 연구진이 개발한 기술이 적용돼 자유 형상 디스플레이 시대를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

연구 결과는 4월 15일(한국시간) 전기․전자 분야 세계적 권위지인 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 34.3)’ 온라인판에 실렸다.

그림 설명

[그림 1] 연구진이 개발한 본질적 신축성을 지닌 퀀텀닷 발광소자

[그림 2] 연구진이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의 모식도
IBS 나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의 발과층은 퀀텀닷, 탄성체 고분자 소재, 정공 전달 소재로 구성된다. 기존 대비 매우 우수한 발광 성능을 보인다.

[그림 3] 소자 신축에 따른 발광 성능
IBS 나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자는 50%까지 신축 변형을 일으켜도 발광 성능이 동일하게 유지됐다.

1) 스핀 코팅(Spin Coating): 기판을 회전시킬 때 발생하는 원심력을 이용해 기판을 코팅하여 균일한 박막으로 제조하는 방법.