현대의 반도체 및 디스플레이 시장에서는 빠르게 발전하는 기술력에 맞춰 보다 높은 성능의 장치 개발을 요구한다. 한 예로 우리가 흔히 사용하는 TV, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등과 같은 디스플레이 장치는 이미 사람의 눈으로는 구별할 수 없을 정도의 높은 해상도를 보여 주지만, 특정 분야에서는 여전히 더 높은 해상도를 갖는 장치의 개발을 필요로 한다. 디스플레이 장치의 해상도는 화소들의 밀도를 나타내는 ...
현대의 반도체 및 디스플레이 시장에서는 빠르게 발전하는 기술력에 맞춰 보다 높은 성능의 장치 개발을 요구한다. 한 예로 우리가 흔히 사용하는 TV, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등과 같은 디스플레이 장치는 이미 사람의 눈으로는 구별할 수 없을 정도의 높은 해상도를 보여 주지만, 특정 분야에서는 여전히 더 높은 해상도를 갖는 장치의 개발을 필요로 한다. 디스플레이 장치의 해상도는 화소들의 밀도를 나타내는 PPI (Pixels Per Inch, 1 인치 당 존재하는 화소의 수) 값을 통해 표현할 수 있으며, 컬러 디스플레이의 경우 빨강 (Red), 초록 (Green), 파랑 (Blue) 등 기본 색상의 화소들이 특정한 규칙으로 반복되어 패턴을 이루고 있다. 재료를 나노미터 수준의 해상도로 패턴화하는 기술을 나노패터닝 (Nanopatterning)이라 하는데, 디스플레이 제작에는 특정 패턴의 화소 제작을 위해 잉크젯 프린팅 (Inkjet printing), 전사 프린팅 (Transfer printing), 포토리소그래피 (Photolithography) 등의 공정이 주로 사용된다. 언급한 공정들을 이용하면 박막 형태의 얇은 두께를 갖는 화소가 제작되는데, 화소의 밀도를 높이기 위해 화소의 면적을 줄이게 되면 화소의 부피가 함께 줄어들어 발광되는 빛의 밝기가 제한될 수 있다. 기존 2차원 공정에서 화소의 밝기가 제한되는 문제를 해결하기 위해 공정을 반복하는 방법으로 두께를 높여 화소의 부피를 늘릴 수 있지만, 발광 재료의 퍼짐 현상 등으로 인해 도달 가능한 두께와 화소밀도가 제한된다. 또한, 기존의 나노패터닝 공정은 대상 기판의 표면상태에 매우 민감하다. 기판의 표면 거칠기에 따라 재료의 선택이 자유롭지 못할 수도 있으며 특히 가공되지 않거나 인위적으로 거칠게 제작된 재료의 표면에서는 나노패터닝 공정을 적용시키기 매우 어렵다. 종이는 가볍고 유연하며 저렴하다는 장점이 있지만, 무작위로 얽혀진 셀룰로오스 섬유에 기인한 거친 표면으로 인해 기존 나노패터닝 공정의 활용이 어렵다. 물리/화학적 사전 공정을 통해 표면을 미려하게 만드는 방법이 있지만, 종이 재료의 장점을 최대한 활용하기 어렵다는 한계가 있다. 본 연구에서는 상술한 문제들을 메니스커스 유도 방식의 3D 프린팅 기술을 활용하여 해결하고자 하였다. 메니스커스 유도 3D프린팅 기술을 활용하면 압력이나 온도 등의 조절 없이 수백 나노미터 직경을 가지는 구조를 제작할 수 있다. 특히, 제작된 구조물의 높이를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 원하는 종횡비를 가지는 나노 구조의 제작이 가능하다. 또한, 기능성 재료를 프린팅 잉크에 첨가하는 방법으로 다양한 특성을 가지는 나노구조를 제작할 수 있다. 본 연구에서는 자외선 조사에 의해 특정 색상의 빛을 발출하는 구조물을 나노패터닝 하기 위해 퀀텀닷 재료를 잉크에 첨가하였다. 디스플레이 화소의 나노패터닝에서, 기존 2차원 화소에서 발생하는 밝기 제한 문제를 3차원 구도로 해결할 수 있음을 실험을 통해 보여주었다. 또한 메니스커스 유도 3D프린팅 기술은 나노패터닝 공정을 다양한 기판에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 본 실험에서는 PI, PET와 같은 웨어러블 디바이스용 플렉서블 기판을 비롯하여, 알루미늄, 구리, 실리콘, 금, 백금 등의 기판에서도 나노패터닝이 가능함을 실험적으로 보여주었다. 특히 플렉서블 기판으로 사용가능한 종이와 같이 거친 표면을 가지는 기판 위에서도 나노패터닝이 가능함을 표면처리를 하지 않은 인쇄용지 위에 퀀텀닷을 직접 나노패터닝하여 보여주었다. 결론적으로 메니스커스 유도 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 유리, 종이와 같은 다양한 기판 위에 수백 나노미터 스케일의 선폭을 갖는 나노패터닝을 구현하였다. 유리와 같이 미려하고 투명한 기판 위에 제작된 화소는 백라이트 기반의 초고해상도 디스플레이 기술에 적용될 수 있다. 고종횡비 나노와이어를 패터닝하여 화소로 5600 PPI 수준의 삼원색 화소를 구현하였고, 이 수준은 현재 상용기술의 한계 수준인 1000 PPI와 비교하면 5배 이상 높은 집적밀도가 된다. 이와 같은 초고해상도 디스플레이 기술은 VR, AR과 같은 첨단 기기에서 어지러움 현상을 줄여주거나, 마이크로 프로젝터 등 초고해상도 빔프로젝터 구현에 활용될 수 있다. 기존의 나노패터닝 공정은 거친 표면에서는 활용하기 어려웠으나 표면 적응제어 (Surface Adaptive Control) 가 가능한 3D프린팅 공정을 이용하여 거친 표면을 가지는 기판 위에서도 나노패터닝이 가능하다는 것을 보여주었다. 종이 위에 직접 나노패터닝하는 기술은 구조 전자(Structure Electronics), 페이퍼 일렉트로닉스 (Paper electronics), 보안 인쇄 (Security Printing), 등과 같은 미래의 다양한 재료 시스템 분야에서 응용될 수 있을 것이다.
현대의 반도체 및 디스플레이 시장에서는 빠르게 발전하는 기술력에 맞춰 보다 높은 성능의 장치 개발을 요구한다. 한 예로 우리가 흔히 사용하는 TV, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 등과 같은 디스플레이 장치는 이미 사람의 눈으로는 구별할 수 없을 정도의 높은 해상도를 보여 주지만, 특정 분야에서는 여전히 더 높은 해상도를 갖는 장치의 개발을 필요로 한다. 디스플레이 장치의 해상도는 화소들의 밀도를 나타내는 PPI (Pixels Per Inch, 1 인치 당 존재하는 화소의 수) 값을 통해 표현할 수 있으며, 컬러 디스플레이의 경우 빨강 (Red), 초록 (Green), 파랑 (Blue) 등 기본 색상의 화소들이 특정한 규칙으로 반복되어 패턴을 이루고 있다. 재료를 나노미터 수준의 해상도로 패턴화하는 기술을 나노패터닝 (Nanopatterning)이라 하는데, 디스플레이 제작에는 특정 패턴의 화소 제작을 위해 잉크젯 프린팅 (Inkjet printing), 전사 프린팅 (Transfer printing), 포토리소그래피 (Photolithography) 등의 공정이 주로 사용된다. 언급한 공정들을 이용하면 박막 형태의 얇은 두께를 갖는 화소가 제작되는데, 화소의 밀도를 높이기 위해 화소의 면적을 줄이게 되면 화소의 부피가 함께 줄어들어 발광되는 빛의 밝기가 제한될 수 있다. 기존 2차원 공정에서 화소의 밝기가 제한되는 문제를 해결하기 위해 공정을 반복하는 방법으로 두께를 높여 화소의 부피를 늘릴 수 있지만, 발광 재료의 퍼짐 현상 등으로 인해 도달 가능한 두께와 화소밀도가 제한된다. 또한, 기존의 나노패터닝 공정은 대상 기판의 표면상태에 매우 민감하다. 기판의 표면 거칠기에 따라 재료의 선택이 자유롭지 못할 수도 있으며 특히 가공되지 않거나 인위적으로 거칠게 제작된 재료의 표면에서는 나노패터닝 공정을 적용시키기 매우 어렵다. 종이는 가볍고 유연하며 저렴하다는 장점이 있지만, 무작위로 얽혀진 셀룰로오스 섬유에 기인한 거친 표면으로 인해 기존 나노패터닝 공정의 활용이 어렵다. 물리/화학적 사전 공정을 통해 표면을 미려하게 만드는 방법이 있지만, 종이 재료의 장점을 최대한 활용하기 어렵다는 한계가 있다. 본 연구에서는 상술한 문제들을 메니스커스 유도 방식의 3D 프린팅 기술을 활용하여 해결하고자 하였다. 메니스커스 유도 3D프린팅 기술을 활용하면 압력이나 온도 등의 조절 없이 수백 나노미터 직경을 가지는 구조를 제작할 수 있다. 특히, 제작된 구조물의 높이를 쉽게 조절할 수 있기 때문에 원하는 종횡비를 가지는 나노 구조의 제작이 가능하다. 또한, 기능성 재료를 프린팅 잉크에 첨가하는 방법으로 다양한 특성을 가지는 나노구조를 제작할 수 있다. 본 연구에서는 자외선 조사에 의해 특정 색상의 빛을 발출하는 구조물을 나노패터닝 하기 위해 퀀텀닷 재료를 잉크에 첨가하였다. 디스플레이 화소의 나노패터닝에서, 기존 2차원 화소에서 발생하는 밝기 제한 문제를 3차원 구도로 해결할 수 있음을 실험을 통해 보여주었다. 또한 메니스커스 유도 3D프린팅 기술은 나노패터닝 공정을 다양한 기판에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 본 실험에서는 PI, PET와 같은 웨어러블 디바이스용 플렉서블 기판을 비롯하여, 알루미늄, 구리, 실리콘, 금, 백금 등의 기판에서도 나노패터닝이 가능함을 실험적으로 보여주었다. 특히 플렉서블 기판으로 사용가능한 종이와 같이 거친 표면을 가지는 기판 위에서도 나노패터닝이 가능함을 표면처리를 하지 않은 인쇄용지 위에 퀀텀닷을 직접 나노패터닝하여 보여주었다. 결론적으로 메니스커스 유도 방식의 3D 프린팅 공정을 이용하여 유리, 종이와 같은 다양한 기판 위에 수백 나노미터 스케일의 선폭을 갖는 나노패터닝을 구현하였다. 유리와 같이 미려하고 투명한 기판 위에 제작된 화소는 백라이트 기반의 초고해상도 디스플레이 기술에 적용될 수 있다. 고종횡비 나노와이어를 패터닝하여 화소로 5600 PPI 수준의 삼원색 화소를 구현하였고, 이 수준은 현재 상용기술의 한계 수준인 1000 PPI와 비교하면 5배 이상 높은 집적밀도가 된다. 이와 같은 초고해상도 디스플레이 기술은 VR, AR과 같은 첨단 기기에서 어지러움 현상을 줄여주거나, 마이크로 프로젝터 등 초고해상도 빔프로젝터 구현에 활용될 수 있다. 기존의 나노패터닝 공정은 거친 표면에서는 활용하기 어려웠으나 표면 적응제어 (Surface Adaptive Control) 가 가능한 3D프린팅 공정을 이용하여 거친 표면을 가지는 기판 위에서도 나노패터닝이 가능하다는 것을 보여주었다. 종이 위에 직접 나노패터닝하는 기술은 구조 전자(Structure Electronics), 페이퍼 일렉트로닉스 (Paper electronics), 보안 인쇄 (Security Printing), 등과 같은 미래의 다양한 재료 시스템 분야에서 응용될 수 있을 것이다.
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