[논문]프린팅을 이용한 양자점발광다이오드 기술 현황

곽정훈

프린팅을 이용한 양자점발광다이오드 기술 현황 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.18 no.1, 2017년, pp.20 - 26

초록
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앞서 살펴본 것처럼, QLED의 풀컬러 디스플레이 적용을 위해서는 QD의 RGB 패터닝이 핵심 기술이고, 이를 위해 최근 프린팅 기반의 다양한 패터닝 기술이 연구개발 되고 있다. 아직까지 QLED 소자 기술도 완전히 성숙하지는 않은 상황이므로 풀컬러 디스플레이 실현 시기를 논하기는 조금 이를지도 모르겠다. 하지만 OLED 등의 유사 기술에 비해 발전 속도가 훨씬 빠르기에 긍정적인 시각에서 바라볼 수 있다. LCD 이후 OLED에 이르기까지 국내 디스플레이 산업은 세계 시장에서 주도권을 잃지 않고 있다. OLED의 뒤를 이을 차세대 디스플레이 기술로 QLED가 가장 유망하고, QLED에 대한 정부 및 기업도 큰 관심을 갖는 만큼, 국내 디스플레이 산업의 발전과 세계시장 주도권 유지를 위해 보다 적극적인 R&D 투자, 연구 확대 등이 필요한 상황이다. 이를 바탕으로 머지않은 미래에 QLED가 디스플레이로 활용되기를 기대해 본다.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 풀컬러 디스플레이 구현을 위해서는 수명이나 효율 등의 성능 문제와 함께 QD 박막의 패터닝이라는 큰 과제가 남아있다. 본 글에서는 QLED에 대한 기초적인 설명과 함께, 프린팅 공정을 이용한 QD 패터닝 연구와 이를 이용한 QLED의 개발 현황에 대해 살펴보고자 한다.

제안 방법

[19] PDMS의 swelling 문제 해결을 위해, 먼저 QD를 Si wafer에 코팅 후 이를 PDMS를 이용하여 HTL 위에 transfer하는 방법을 이용하였다. 하지만 dry QD 박막을 transfer하기 때문에 detach와 adhesion 조절이 매우 중요하며, 이를 위해 Si 기판위의 self-assembled monolayer(SAM)처리와 contact transfer 프린팅 과정 에서 약 200kPa 정도의 큰 압력을 필요로 하였다.
[4] 이 논문에서는 당시 OLED에서 이미 널리 사용되던 HTL과 ETL을 갖춘 다층박막 소자구조를 사용하였다. 사실 이 같은 QLED 제작에 필요했던 핵심 기술은 앞서 언급한 것처럼 용액공정으로 유기물질로 이루어진 HTL층 위에 아무 손상 없이 QD 층을 형성하는 기술이었다.
사실 이 같은 QLED 제작에 필요했던 핵심 기술은 앞서 언급한 것처럼 용액공정으로 유기물질로 이루어진 HTL층 위에 아무 손상 없이 QD 층을 형성하는 기술이었다. 이 논문에서는 무기물 나노 결정인 양자점과 유기물 HTL 재료를 하나의 용매에 섞어 용액을 만든 뒤, 스핀코팅으로 박막을 형성하였을 때 나타나는 상 분리 (phase separation) 현상을 이용해 유기층 위에 양자점 층이 형성되도록 하였다. 이는 간편하게 HTL/QD 층을 형성할 수 있기 때문에 후속 연구에서도 종종 사용되었다.
^[19] PDMS의 swelling 문제 해결을 위해, 먼저 QD를 Si wafer에 코팅 후 이를 PDMS를 이용하여 HTL 위에 transfer하는 방법을 이용하였다. 하지만 dry QD 박막을 transfer하기 때문에 detach와 adhesion 조절이 매우 중요하며, 이를 위해 Si 기판위의 self-assembled monolayer(SAM)처리와 contact transfer 프린팅 과정 에서 약 200kPa 정도의 큰 압력을 필요로 하였다. ^[19,20]

대상 데이터

^[2]이 구조는 일반적으로 양극으로 사용되는 기판부 투명전극인 ITO를 음극으로 사용하고, 형성되는 층의 순서도 ETL, 양자점, HTL, 양극의 순서로 일반적인 구조와 반대의 순서로 제작된다. 이 때 양자점 아래의 ETL은 무기물인 ZnO 나노입자를 사용하였고, HTL은 양자점 층 형성 후 진공증착으로 제작하여 양자점 용액공정에 의한 손상을 전혀 생각하지 않아도 된다. 또한 용이한 홀 주입을 위해 깊은 HOMO 에너지 준위를 갖는 HTL 재료를 공정 조건 제약 없이 자유롭게 사용할 수 있다.

이론/모형

MIT 그룹에서 2006년, 저분자 HTL 물질 4,4’-N,N’-dicarbazolyl-biphenyl (CBP) 위에 QD를 형성하기 위해 contact 프린팅 방법을 사용 하였고,^[16] 이를 응용하여 2008년에 RGB 소자에 적용한 결과를 발표 하였다.^[17]Contact 프린팅 방법은 이미 잘 알려져 있었으나 PDMS가 QD를 분산시키는데 주로 사용하는 toluene이나 chloroform과 같은 nonpolar 용매에 의해 손상되는 문제가 있었고, 이를 막기 위해 그림 3에 나타난 것처럼 PDMS 위에 parylene-C 박막을 chemical-vapor deposited(CVD) 방법으로 추가로 증착하여 사용하였다. 이탈리아의 연구팀은 PDMS 위에 SU-8 photoresist를 추가 코팅하여 사용하기도 하였다.

성능/효과

이를 극복하기 위해서는 결국 밴드갭이 큰 HTL을 사용하여 QD로의 정공 주입을 향상시켜야 하지만, 문제는 용액공정을 이용하여 HTL 위에 QD를 적층하는 공정상 QD 아래에 놓이는 HTL 재료 선택의 폭이 넓지 않다는 점이다. 다시 말하면, 고분자 HTL의 경우 대부분 HOMO 에너지 준위가 OLED에 적합하게 설계되어 QD로의 정공 주입에 효율적이지 않았고, 일부 HOMO 에너지 준위기 큰 저분자 유기재료 박막은 QD 적층 과정에서 큰 손상을 입기 때문에 선택하기 쉽지 않았다.

후속연구

국외 연구 그룹에서도 최근 polyetherimide (PEI)를 ZnO 표면에 처리하여 coffee ring 현상이 거의 없는 QD 프린팅과 효율적인 QLED 제작에 대한 결과를 발표한 바 있다.^[28]Ink-jet 프린팅을 이용한 용액공정 OLED 기술이 꾸준히 발전하고 있고 이와 유사한 QLED 또한 빠르게 발전하는 모습을 보이고 있기 때문에, 머지않아 ink-jet 프린팅을 이용한 풀컬러 QLED 디스플레이를 실현시킬 수 있을 것으로 기대된다.
QD는 크기가 수~수십 nm 수준에 불과한 반도체 결정으로 매우 좁은 발광선폭과 QD 크기 조절에 따른 파장 조절의 용이성 등 우수한 광학적 특성을 갖고 있어서, UHDTV 구현에 가장 적합한 기술로 여겨진다. 또한 OLED가 갖는 flexible, 투명 디스플레이 등의 장점도 그대로 가지며, 용액공정을 통해 저가격, 대면적 제작도 가능할 것으로 여겨진다. 하지만 풀컬러 디스플레이 구현을 위해서는 수명이나 효율 등의 성능 문제와 함께 QD 박막의 패터닝이라는 큰 과제가 남아있다.
OLED의 뒤를 이을 차세대 디스플레이 기술로 QLED가 가장 유망하고, QLED에 대한 정부 및 기업도 큰 관심을 갖는 만큼, 국내 디스플레이 산업의 발전과 세계시장 주도권 유지를 위해 보다 적극적인 R&D 투자, 연구 확대 등이 필요한 상황이다. 이를 바탕으로 머지않은 미래에 QLED가 디스플레이로 활용되기를 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	QD 박막을 패터닝 할 수 있는 기술에는 어떤 것들이 있는가?	[30] 프린팅 기술만 QD 패터닝에 응용할 수 있는 것은 아니다. 최근 논문에서는 lift-off 방식의 일반적인 photolithography 공정과 QD layer-by-layer (LbL) 적층 기술을 활용하여 정교하게 QD 박막을 패터닝 하고 QLED까지 제작한 결과가 보고된 바 있다. [31] 이러한 기술 모두 디스플레이 장치에 적용하여 대량생산하기 위해서는 넘어야 할 기술적 이슈들이 아직 많이 남아있지만, 다양한 분야의 수많은 연구자들이 노력한다면 문제점들을 차근차근 해결해 나갈 수 있을 것으로 기대된다.
	QD의 특징은?	따라서 이러한 요건을 만족할 수 있는 차세대 디스플레이 기술이 필요하고, 이 가운데 양자점(quantum dot; QD)을 이용한 양자점발광다이오드(QLED) 기술이 가장 주목받고 있다. QD는 크기가 수~수십 nm 수준에 불과한 반도체 결정으로 매우 좁은 발광선폭과 QD 크기 조절에 따른 파장 조절의 용이성 등 우수한 광학적 특성을 갖고 있어서, UHDTV 구현에 가장 적합한 기술로 여겨진다. 또한 OLED가 갖는 flexible, 투명 디스플레이 등의 장점도 그대로 가지며, 용액공정을 통해 저가격, 대면적 제작도 가능할 것으로 여겨진다.
	양자점발광다이오드(QLED) 기술의 한계점은?	또한 OLED가 갖는 flexible, 투명 디스플레이 등의 장점도 그대로 가지며, 용액공정을 통해 저가격, 대면적 제작도 가능할 것으로 여겨진다. 하지만 풀컬러 디스플레이 구현을 위해서는 수명이나 효율 등의 성능 문제와 함께 QD 박막의 패터닝이라는 큰 과제가 남아있다. 본 글에서는 QLED에 대한 기초적인 설명과 함께, 프린팅 공정을 이용한 QD 패터닝 연구와 이를 이용한 QLED의 개발 현황에 대해 살펴보고자 한다.

참고문헌 (31)

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Y. L. Kong, I. A. Tamargo, H. Kim, B. N. Johnson, M. K. Gupta, T.-W. Koh, H.-A. Chin, D. A. Steingart, B. P. Rand and M. C. McAlpine, Nano Lett. 14, 7017 (2014).

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J.-S. Park, J. Kyhm, H. H. Kim, S. Jeong, J. H. Kang, S.-E. Lee, K.-T. Lee, K. Park, N. Barange, J. Y. Han, J. D. Song, W. K. Choi and I. K. Han, Nano Lett. 16, 6946 (2016).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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