전북대학교(총장 양오봉) 이승희 교수 연구팀(공대 대학원 나노융합공학과, 고분자나노공학과, JBNU-KIST산학연융합학과)의 김민수 연구교수가 유무기 복합 나노산란체를 이용한 디스플레이용 양자점 광발광 색변환 효율을 극대화하는 기술 개발에 성공했다. 

양자점(Quantum dots)은 색을 더 다양하게 표현 가능한 높은 색재현성 디스플레이의 구현이 가능하여 차세대 디스플레이 소재로 각광 받고 있다. 지금까지 상용화 된 양자점 디스플레이는 이러한 양자점을 고분자 기질에 sheet 형태로 만들어 액정디스플레이의 백라이트(backlight) 앞에 삽입하거나, 최근에는 Blue OLED 위에 Red, Green 픽셀을 잉크젯 프린팅 기법으로 구성하여 파랑빛을 빨강 및 초록 빛으로 각 픽셀에서 색변환하는 방식으로 프리미엄급 TV를 양산하고 있다. 이때, 양자점이 특정색을 받아 또다른 색으로 색변환을 하는 것을 광발광(Photoluminescence)이라고 하는데, 이 광발광 효율이 디스플레이로 응용할 때 핵심적인 요소가 된다.

지금까지 다양한 양자점의 합성 방식으로 이 광발광 효율을 높여 왔는데 이 교수팀은 양자점이 존재하는 고분자 기질 내에 유무기 복합 나노산란체를 구성하여 같은 양자점이라도 더 높은 색변환 효율을 낼 수 있는 기술을 개발했다. 이 나노산란체는 스마트 윈도우의 가장 유망한 소재인 고분자분산액정(PDLC)과 UV 반사율이 높아 UV차단제의 원료로 쓰이는 티타늄 다이옥사이드 나노입자의 복합체로 구성돼 있다.

광중합 상분리를 통해 PDLC 타입의 나노산란체를 형성하여 이 색변환층 내 광경로 및 산란특성의 최적화를 유도하여, 파랑빛이 색변환 없이 새어나가지 않고 내부의 양자점을 계속해서 만나 색변환 효율을 극대화할 수 있도록 했다.

또, 잉크젯 프린팅 방식에서는 양자점, 티타튬 다이옥사이드 나노입자, 고분자 레진의 혼합물을 쓸 경우, 무기입자들이 노즐막힘을 유발하거나 용액 내에서 침전 등을 일으킬 가능성이 높은데 여기에 흐르는 특성이 있는 이방성 유기분자를 혼합하면 산란체를 형성하면서도 침전 등의 문제를 완화할 수 있어 용액의 안정성이나 용매공정에 매우 유리한 소재 특성을 확보할 수 있다.

이 연구를 통해 결과적으로 3일 이상 침전이나 뭉침 없이 안정적으로 유지되는 최적 농도 조건의 용액을 통해 나노산란체를 형성했을 때 색변환에 관여하는 외부양자효율이 58.6%까지 향상되는 것을 확인했다. 

김민수 연구교수는 “용매 공정 상 안정성이 높으면서도 외부양자효율을 높일 수 있는 방향성을 제시할 수 있다” 라며 “이를 통해 양자점 디스플레이에서 다양하게 응용 및 적용이 가능한 기술로 기대가 된다”고 말했다. 

이번 연구는 김민수 연구교수와 이다연 석사(졸업), 정하영 석사과정생이 참여했고, 한국연구재단(중견연구자지원사업)과 교육부의 4단계 두뇌한국 21 사업(BK21-FOUR)의 지원을 받아 수행되었으며, 복합소재 및 엔지니어링 분야 상위 1% 이내 국제학술지인 『Composites Part B: Engineering, IF=13.1』에 'Superior photoluminescence of quantum dot displays via organic-inorganic composite scatterers' 라는 제목으로 게재됐다.