"시각 한계를 넘어선 해상도"…QLED로 초실감 VR 구현한다


KAIST, 해상도 1백배 높인 새로운 퀀텀닷 전사 공정 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 신소재공학과 정연식·전덕영 교수팀이 8K 디스플레이보다 해상도가 1백배 뛰어난 새로운 퀀텀닷 디스플레이(QLED) 제조기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 적녹청(RGB) 퀀텀닷 소자를 지금까지 개발된 어떤 방법보다 높은 밀도로 배열하고 플라스틱을 비롯한 다양한 기판에 전사할 수 있는 새로운 열역학적 기법을 고안하고, 이를 통해 QLED의 픽셀 밀도를 "시각 한계를 넘어서는" 수준으로 높이는 데 성공했다고 발표했다.

연구팀이 달성한 최고 해상도는 1만4063 PPI(인치당 픽셀수)로, 현재 시판되고 있는 8K 디스플레이 해상도(117ppi)에 비해 100배 이상 높아진 성능이다.

TV에만 한정한다면 이처럼 높은 해상도는 불필요할지도 모르지만, TV보다 훨씬 넓은 시야각을 필요로 하는 가상현실(VR)·증강현실(VR)용 차세대 디스플레이, 스마트 안경 등에서 실감영상을 구현하기 위해서는 반드시 필요한 기술이다.

연구팀은 이번에 구현한 해상도가 일반적인 가상현실(VR)용 헤드마운트디스플레이(HMD)의 2인치 가시거리를 기준으로 하면 368 PPD(시야각 1도당 픽셀수)에 해당한다고 밝혔다.

이는 현재 스마트폰으로 구현가능한 수준(10~30 PPD)보다 10배 이상이며, 가상과 실제의 구분이 어려운 초실감 VR 영상 구현을 위한 일반적인 목표치인 150 PPD보다도 두 배 이상 뛰어난 것이다.

연구팀은 "최대 368 PPD의 뛰어난 픽셀 밀도로 지금까지 보고된 최고 해상도의 풀 컬러 RGB 퀀텀닷 픽셀 어레이를 구현"한 이번 연구는 "초고해상도 전계발광 QLED 디스플레이 개발의 패러다임을 바꿀 획기적인 기술"이라고 자평했다.

KAIST 신소재공학과 정연식 교수(왼쪽)와 전덕영 교수. [KAIST 제공]

퀀텀닷(양자점)은 크기와 전압에 따라 스스로 다양한 빛을 내는 수 나노미터 크기의 반도체 입자다. 작년 10월 삼성디스플레이가 퀀텀닷 중심의 차세대 디스플레이 양산라인 구축 및 기술개발에 2025년까지 약 13조 원 규모의 투자계획을 발표하는 등 디스플레이용 핵심 소재로 부상하고 있다.

하지만 퀀텀닷 소재는 OLED 발광 소재와는 달리 용매에 녹아 분산돼 있는 형태로 존재하기 때문에 기존 디스플레이 패터닝 기술을 적용하기 어려웠다. 이를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅이나 리소그래피와 같은 공정기술 적용이 연구되고 있지만, 양산성 및 해상도 측면에서 제한적이거나 공정 과정 중에 퀀텀닷의 효율이 크게 떨어지는 문제를 안고 있다.

연구팀은 기존의 퀀텀닷 나노 패턴 구현 방법과 달리 퀀텀닷 용액의 용매를 조절해 용액 속에서 퀀텀닷을 패터닝하고 전사하는 방법(iTP, immersion transfer-printing)을 개발했다. 미세 패턴 구현이 가능하도록 정밀하게 설계한 혼합 용매 환경에서 퀀텀닷 소재가 자기조립 방식으로 배열되며, 조립된 퀀텀닷 미세 패턴은 100% 수율로 전사된다. 초저압(2kPa 미만)에서 전사 공정을 구현해 외부 압력에 의한 패턴 손상을 방지함으로써 전류효율, 외부양자효율 등도 기존 전사 인쇄 방식 대비 약 7배나 증가하는 결과를 낳았다.

초고해상도 풀컬러 퀀텀닷 발광 패턴. 기본 템플릿의 해상도나 형상을 다양화함에 따라 제작할 수 있는 퀀텀닷 패턴 역시 무궁무진하기 때문에 다양한 퀀텀닷 디스플레이 소자에 적용시킬 수 있을 것으로 기대된다. [KAIST]

정연식 교수는 "이번 연구 결과를 활용할 경우 적·녹·청 퀀텀닷 픽셀이 개별적으로 발광할 수 있는 초고해상도를 지닌 차세대 능동형 퀀텀닷 LED (AMQLED) 디스플레이 구현도 가능할 것"이라고 내다봤다. 특히 "단일 퀀텀닷 크기를 갖는 극한 해상도 수준의 패턴도 구현이 가능하기 때문에 디스플레이 분야 외에도 높은 민감도를 갖는 센서나 광학 소자로의 응용까지 기대"했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업의 지원을 받아 수행됐다.

KAIST 신소재공학과 남태원 박사과정이 제1 저자로, 김무현 박사과정이 제2저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 6월 16일 게재됐다. (논문명: Thermodynamic-driven polychromatic quantum dot patterning for light-emitting diodes beyond eye-limiting resolution)

최상국 기자 skchoi@inews24.com





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