▲ 포토레지스트막을 퀀텀닷 잉크를 가두는 틀로 활용한 제조 공정 모식도 / 공정에서 가장 중요한 단계는 ‘가교’다. 퀀텀닷이 포토레지스트막을 제거할 때 같이 씻겨나가면 제대로 된 패터닝을 할 수 없다. 가교제를 첨가한 잉크를 가열하면, 활성화된 가교제가 퀀텀닷 입자를 묶어주는 역할(가교)을 해, 퀀텀닷이 용매에 씻겨나가지 않는다.(그림 및 설명=UNIST)   © 특허뉴스

차세대 XR(확장현실) 글라스 상용화를 앞당길 핵심 디스플레이 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다. 동전 크기 면적에 1,000만 개 이상의 화소를 집적할 수 있는 수준의 초고해상도 퀀텀닷 디스플레이 기술로, 야외에서도 선명한 시인성과 몰입감을 동시에 확보할 수 있는 기반이 마련됐다는 평가다.

UNIST 화학과 김봉수 교수, 서강대학교 강문성 교수, ETRI 강찬모 박사 공동 연구팀은 퀀텀닷 발광 소재를 손상 없이 미세하게 배열하는 마이크로 패터닝 디스플레이 기술을 개발했다고 밝혔다.

퀀텀닷은 색 순도와 밝기가 뛰어나 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있지만, XR 글라스와 같은 초근접 디스플레이에 적용하기 위해서는 극도로 작은 화소 구현이 필수적이다. 화소 크기가 클 경우 화면이 ‘모기장’처럼 보이는 현상이 발생해 몰입도를 떨어뜨리고 눈의 피로를 유발하기 때문이다.

연구팀은 퀀텀닷 화소를 약 2마이크로미터(㎛) 수준으로 구현하는 데 성공했다. 이는 머리카락 굵기보다 수십 배 얇은 크기로, 실험에서는 1인치당 4,000개의 화소를 집적하는 4000PPI(Pixel Per Inch)의 초고해상도를 달성했다. 이를 면적으로 환산하면 동전 크기 공간에 1,000만 개 이상의 화소를 구현한 수준이다.

핵심은 ‘손상 없는 정밀 패터닝’이다. 연구진은 반도체 공정에 활용되는 포토레지스트를 틀로 활용해 퀀텀닷 잉크가 배열될 공간을 미리 형성한 뒤, 잉크를 도포하고 틀을 제거하는 공정을 적용했다. 여기에 자체 개발한 특수 첨가제(Diazo-4-LiXer)를 도입해, 공정 과정에서도 퀀텀닷 입자가 씻겨 나가지 않고 구조를 유지하도록 했다.

특히 기존 자외선 기반 공정과 달리 열 활성화 방식을 적용해 소재 손상을 최소화했다. 약 110도의 비교적 낮은 온도에서 첨가제를 활성화시켜 퀀텀닷 입자를 고정하는 방식으로, 고에너지 자외선으로 인한 발광 특성 저하 문제를 근본적으로 차단했다.

연구팀은 실제 10×10 배열의 풀컬러 RGB 퀀텀닷 발광다이오드(QD-LED) 어레이를 제작해 안정적인 발광 성능을 확인하며 상용화 가능성도 입증했다. 이는 XR 글라스뿐 아니라 마이크로 디스플레이 전반에서 활용 가능한 기술로 평가된다.

연구를 이끈 김봉수 교수는 “퀀텀닷 고유의 발광 특성을 유지하면서도 초고해상도 구현이 가능한 제조 공정을 확보했다”며 “최근 애플과 삼성이 눈독을 들이며 격돌하고 있는 차세대 XR 글라스 및 마이크로 디스플레이 시장에서 기술 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 Nature Communications에 게재됐다. 연구진은 향후 대면적 공정 확장과 상용화 기술 개발을 통해 XR 디바이스 시장 진입을 가속화할 계획이다.

논문명은 Photoresist-guided indirect photopatterning of quantum dots via carbene-mediated ligand thermocrosslinking이다.