포토레지스트막을 퀀텀닷 잉크를 가두는 틀로 활용한 제조 공정 모식도. 울산과학기술원 제공

퀀텀닷(양자점) 화소를 차세대 확장현실(XR) 안경에 적용할 수 있는 수준으로 작고 반듯하게 패터닝할 수 있는 기술이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수와 서강대 강문성 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 강찬모 박사 연구팀이 퀀텀닷을 손상하지 않고 마이크로 패터닝할 수 있는 디스플레이 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

밝기와 색 순도가 뛰어난 퀀텀닷을 스마트 안경과 같은 XR 기기에 쓰려면 1인치당 3000개의 화소가 들어갈 수 있을 정도로 화소 크기를 줄이는 마이크로 패터닝이 필요하다. 눈앞에 바로 화면이 펼쳐지는 기기 특성상 화소가 크면 몰입감을 떨어뜨리고 눈 피로를 유발하기 때문이다.

연구팀이 개발한 기술은 퀀텀닷 화소를 머리카락 굵기보다 수십 배 얇은 2마이크로미터(㎛) 크기로 작게 패터닝할 수 있다. 실험에서는 1인치당 4000개의 퀀텀닷 화소를 집적하는 4000PPI(Pixel Per Inch)의 초고해상도를 달성했다. 넓이로 환산하면 동전 크기만 한 공간에 1000만 개 이상의 화소를 집적한 수준이다. 특히 퀀텀닷 손상이 없고, 화소 모양과 배열이 설계된 대로 정확히 나오는 게 장점이다.

연구팀은 포토레지스트(감광액)막을 ‘틀’로 사용하는 새로운 공법과 자체 개발한 첨가제(가교제) 덕분이라고 설명했다. 포토레지스트는 반도체 공정에서 빛으로 미세한 회로를 그릴 때 쓰이는 소재다.

연구팀은 빛을 이용해 포토레지스트막에서 퀀텀닷 잉크가 배열될 공간들을 미리 도려내고, 그 위에 퀀텀닷 잉크를 얇게 도포하는 방식을 썼다. 틀 역할을 했던 포토레지스트막을 용매로 제거하면 네모반듯한 퀀텀닷 화소만 남는 것이다. 퀀텀닷 잉크 속에 특수 첨가제가 들어있어 포토레지스트를 용매로 벗겨낼 때 잉크가 같이 씻겨 나가지 않는다. 용매로 제거하기 전 가열해 첨가제를 활성화하면, 퀀텀닷 입자들이 서로 단단히 고정돼 모양이 유지되는 원리다. 기존의 자외선 활성화 방식과 달리 자외선 고에너지 때문에 발생하는 손상이 없고, 열 활성화 온도 역시 110도로 낮아 열 손상을 차단했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 10x10 배열의 총천연색 RGB 퀀텀닷 발광다이오드(QD-LED) 어레이를 실제로 제작해 안정적인 빛을 내는 것을 확인, 상용화 가능성도 입증했다.

김봉수 교수는 “퀀텀닷 고유의 우수한 발광 특성을 유지하면서 초고해상도 패터닝이 가능한 마이크로 제조 공정”이라며 “차세대 XR 안경과 마이크로디스플레이 시장에서 기술 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성사업과 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 개인기초연구사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’(Nature Communications) 온라인판에 지난달 19일 공개됐다.