^*패터닝(patterning): 반도체 칩 내에 집적회로의 구현은 패턴으로 이루어지는데, 박막(thin film)을 반복적으로 식각하는 과정을 통해 형성되는 것을 말합니다. *식각(Etch): 화학 용액이나 가스를 이용해 실리콘 웨이퍼상의 필요한 부분만을 남겨놓고 나머지 물질을 제거하는 것.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 웨어러블, 모바일, 사물인터넷(IoT)의 발달로 초고화질 웨어러블 디스플레이에 대한 수요가 높아지고 있다. 웨어러블 전자기기는 전원 공급이 한정적이므로, 고효율로 웨어러블 디스플레이를 설계하는 것이 중요하다. 또 손목이나 손가락 또는 눈에 착용할 수 있는 웨어러블 디스플레이에 적용되는 제한된 화면 크기에서 다양한 유형의 정보를 시각화하기 위해서는 초고해상도 RGB(적색/녹색/청색) 픽셀 구현이 필수적이다.

할라이드 페로브스카이트는 높은 색순도와 양자효율을 지녀 차세대 발광 물질로써 각광 받고 있다. 그러나 페로브스카이트 물질 고유의 이온 결합 성질로 인해 공기/수분/용매 안정성이 낮다. 따라서 기존 패터닝 공정(포토리소그래피, 잉크젯 프린팅)을 적용할 경우 광학적･전기적 특성의 저하가 발생해 이를 극복하기 위한 패터닝 기술 개발이 필요하다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 페로브스카이트 나노입자/유기전하수송층 이중층 박막의 전사 인쇄 기술을 개발해 초고해상도 페로브스카이트 나노입자 발광층을 구현했다. 기존 전사 인쇄 방식은 광리소그래피 공정 없이 스탬프만 이용해 과정이 간단하나, 물질의 표면 에너지에 따라 박막 내부 균열로 인한 전사 효율이 떨어지는 문제가 있다. 유기물 박막과의 이중층 건식 전사 인쇄 방식은 스탬프와의 계면 에너지를 크게 줄여 기존의 전사 인쇄 방식의 내부 균열 문제를 효과적으로 해결했다. 또 세계 최초 2550ppi (기존 4K TV 해상도: 180ppi)의 페로브스카이트 초고해상도 RGB 픽셀화 및 400 나노미터(㎚) 선폭의 단색상 라인 패턴화에 성공했다.

이 기술을 이용해 형성된 페로브스카이트 발광층은 페로브스카이트 나노입자 간 간격이 줄고 정공수송층과의 계면 특성이 개선됐다. 전류 전달 효율과 외부양자효율(EQE)의 향상 효과로 기존 보고된 패터닝된 페로브스카이트 자발광(Electron luminescence, EL) 소자 대비 훨씬 높은 최대 15.3%의 외부양자효율(EQE)을 나타냈다.

또 이번 연구의 방식으로 제작된 피부부착형 페로브스카이트 LED 소자는 2.6마이크로미터(머리카락 두께의 약 1/40)의 초박막 필름에 LED 소자를 형성해 피부 및 나뭇잎 등 다양한 곡면에 부착할 수 있다. 굽힘이나 비틀림뿐만 아니라 0.25밀리미터(면도날 두께)의 곡률반경에서도 구동할 수 있는 안정적인 기계적 ･광학적 성능을 나타냈다.

3. 기대효과

이번 연구로 이중층 전사 인쇄 방식을 통해 페로브스카이트 발광층의 내부 균열 및 광학적･전기적 성능 저하 없는 초고해상도 다색상 패터닝 기술을 구현해 기존 패터닝 방식의 한계를 극복했다. 나아가 이를 높은 성능의 자발광 소자 및 피부부착형 LED로 제작해 페로브스카이트의 차세대 웨어러블 디스플레이로써 기술적 가치를 증명했다.

이 연구를 통해 페로브스카이트 LED 소자 기반한 디스플레이뿐만 아니라 VR, AR 및 스마트 웨어러블 디바이스 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다. 또 초박형 디스플레이는 향후 차량용 디스플레이 등 다곡형 미래 모빌리티 디스플레이에 활용될 것으로 예측된다.

[붙임]  용어설명

1. 할라이드 페로브스카이트 발광체

할라이드 페로브스카이트 발광체는 ABX3 결정 구조의 할로젠화 금속 화합물로 합성 및 색 조절이 쉽다. 색순도와 양자효율이 높은 장점으로 인해 디스플레이, 태양전지 및 광검출기 분야에서 차세대 광전자 소재로 활용하려는 연구가 활발하다.

2. 전사 인쇄 기술(Transfer printing)

점탄성 스탬프(stamp)와의 접촉을 통해 도너(donor) 기판에서 리시버(receiver) 기판으로 찍어 옮기는 패터닝(patterning) 기술 방식을 말한다. 공정 과정에 추가적인 유기 첨가물을 사용하지 않아 다른 물질 간의 오염이 적고 반복 공정이 간단해 효율적인 화소 형성이 가능하다는 장점이 있다.

[붙임] 연구 관련 Q&A

1. 이번 성과 무엇이 다른가

페로브스카이트 나노입자/유기전하수송층 이중층 박막의 전사 인쇄 기술을 개발해 초고해상도 페로브스카이트 나노입자 발광층을 구현했다. 기존 전사 인쇄 방식은 광리소그래피 공정 없이 스탬프만을 이용해 과정이 간단하나 물질의 표면에너지에 따라 박막 내부 균열로 인한 전사 효율이 떨어지는 문제가 있다. 유기물 박막과의 이중층 건식 전사 인쇄 방식은 스탬프와의 계면 에너지를 크게 줄여 기존의 전사 인쇄 방식의 내부 균열 문제를 효과적으로 해결했고, 세계 최초 2550ppi(기존 4K TV 해상도: 180ppi)의 페로브스카이트 초고해상도 RGB 픽셀화 및 400nm 선폭의 단색상 라인 패턴화에 성공했다.

이 기술을 이용해 형성된 페로브스카이트 발광층은 페로브스카이트 나노입자 간 간격이 줄고 정공수송층과의 계면 특성이 개선돼 기존 보고된 패터닝된 페로브스카이트 자발광(Electron luminescence, EL) 소자 대비 훨씬 높은 최대 15.3%의 외부양자효율(EQE)을 나타냈다.

2. 어디에 쓸 수 있나

이번 연구를 통해 TV와 같은 일반적인 형태의 디스플레이뿐만 아니라 VR, AR 및 스마트 웨어러블 디바이스 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다. 또 초박형 디스플레이는 향후 차량용 디스플레이 등 다곡형 미래 모빌리티 디스플레이에 활용될 것으로 예측된다.

3. 실용화까지 시간과 과제는

이번 연구에서 개발된 기술이 실용화되기 위해서는 페로브스카이트 발광체의 본연적인 안정성 문제를 해결하는 것이 중요하며, 관련 연구를 통해 실용화를 앞당기고자 한다. 

4. 연구를 시작한 계기는

최근 웨어러블, 모바일, 사물인터넷(IoT)의 발달로 초고화질 웨어러블 디스플레이에 대한 수요가 높아지고 있다. 웨어러블 전자 기기의 한정된 전원 공급으로 인해 고효율로 웨어러블 디스플레이를 설계하는 것이 중요하며, 손목, 손가락 또는 눈에 착용할 수 있는 웨어러블 디스플레이의 한정된 화면 크기에서 다양한 유형의 정보를 시각화하기 위해서는 초고화질 RGB(적색/녹색/청색) 픽셀이 필수적이라 생각하여 연구를 개시했다.

5. 어떤 의미가 있는가

이번 연구로 이중층 전사 인쇄 방식을 통해 페로브스카이트 발광층의 내부 균열 및 광학적･전기적 성능 저하 없는 초고해상도 다색상 패터닝 기술을 구현해 기존 패터닝 방식의 한계를 극복했다. 나아가 이를 높은 성능의 자발광 소자 및 피부부착형 LED로 제작해 페로브스카이트의 차세대 웨어러블 디스플레이로써 기술적 가치를 증명했다.

6. 꼭 이루고 싶은 목표는

이번 연구를 바탕으로 지속적인 연구를 통해 차세대 초고해상도·초고효율 디스플레이 기술 실용화에 기여하는 것이 목표이다.

[붙임] 그림설명