KAIST, 커피링 얼룩 없는 디스플레이용 양자점 균일 코팅 기술 개발

김형수 교수팀, 증발 시스템 최적화해 디스플레이 소자에 적용

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 커피링 얼룩 자국이 남지 않는 균일 코팅 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

디스플레이용 양자점(퀀텀닷)을 균일하게 코팅, 유연 디스플레이 소자 등에 적용할 수 있는 기술이다. 커피 한 방울이 고체 표면 위에서 마르면 액적(물방울) 표면의 상대적 증발률 차이로 커피링 얼룩 자국이 남는다. 이를 커피링 효과라 한다.

액적 증발은 잉크젯 프린팅과 같은 기술에서 기능성 유연 재료의 균일 코팅이라는 문제와 직결된다. 최근 잉크젯 프린팅 기술은 단순 패턴 인쇄를 넘어 차세대 에너지 및 디스플레이를 포함한 전기‧전자 소자의 융복합 생산시스템 기술에 활용되고 있다.

그동안 과학기술계에서는 액적의 커피링 패턴을 제어하고 균일 마름 자국을 얻기 위해 계면활성제를 사용하거나 부분적인 표면장력 변화를 발생시켜 마랑고니 효과(Marangoni effect,

서로 다른 액체 등이 경계면을 따라 표면장력의 크기가 일정하지 않을 때 발생하는 현상. 흔히 알려진 ‘와인의 눈물’ 현상이 대표적 예)를 이용한 여러 방법이 소개돼왔다.

커피링 자국 이미지

퀀텀닷 코팅 결과 비교. (왼쪽부터) 일반 열린 공간에서의 증류수 액적 증발 결과, 열린 공간에서 이성분(물-에탄올) 액적의 증발 결과, 갇힌 공간에서 이성분 액적이 유리 기판과 웨이퍼 표면 위에서 증발된 결과

KAIST 기계공학과 김형수 교수는 박사후연구원(프린스턴 대학 소속) 때부터 커피링을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 연구를 해왔다. 2016년에는 위스키가 특이하게 마르는 현상을 규명해 획기적으로 커피링을 없애는 연구를 해왔다. 하지만, 물방울의 접촉선 위치에서의 커피링 효과는 줄일 수 있으나 여전히 효과가 존재한다는 문제가 있다.

김 교수 연구팀의 편정수 석사과정은 액적이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐시켜 커피링을 완전히 소멸시키는 방법을 개발했다. 김형수 교수는 "증발 물질을 잘 이해하고 물질전달 메커니즘을 활용해 증발 시스템을 최적화하면, 디스플레이 원료 퀀텀닷과 태양광 패널 원료 페로브스카이트와 같은 기능성 소자들을 대량 생산이 가능한 잉크젯 프린팅 기술로 균일한 패터닝을 가능하게 할 수 있다"며 "현재 해당 기술을 특허 출원했고 유연 디스플레이 소자에 적용하기 위해 연구를 진행하고 있다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제적 권위 학술단체 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)의 저명학술지 '소프트 매터(Soft Matter)'지가 특별 기획한 신진과학자 특집호(2021 Soft Matter Emerging Investigator Special Issue)에 초청돼 지난달 7일자 표지논문에 게재됐다. (논문명: Uniform coating pattern of multi-component droplets in a confined geometry)

김형수 KAIST 교수