테이블에 남은 커피 자국, 퀀텀닷 디스플레이와 무슨 관계?

KAIST 연구진, 커피링 현상 해결 기술로 잉크젯 프린팅 패턴 효율 개선

테이블에 흘린 커피 자국에 대한 지식이 퀀텀닷 디스플레이 제작의 효율성을 높일 수 있다. 

KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 김형수 교수팀이 디스플레이 소자의 핵심 물질인 퀀텀닷의 마름 자국을 제어하고 균일하게 패터닝 하는 기술을 구현했다고 2일 밝혔다.

현재 퀀텀닷 디스플레이 제작 효율을 높이기 위해 핵심 소재인 퀀텀닷을 잉크젯 프린팅 방식으로 패터닝하려는 시도가 이뤄지고 있다. 하지만 공정 과정에서 발생하는 커피링 현상이 장애물 중 하나다. 

커피링이 남은 모습 (자료=위키피디아)

커피링은 바닥에 떨어진 커피 방울이 마르면서 가장자리 부분이 유독 진하게 나타나는 현상을 말한다. 용매 방울이 고체 표면 위에서 마를 때 물방울 표면의 중심부와 가장자리의 증발율이 고르지 않기 때문에 발생한다. 미세한 입자를 포함한 액체라면 모두 커피링 현상이 나타난다. 커피링 현상은 다양한 물질을 잉크 용매에 섞은 후 분사해 균일하게 코팅하는 잉크젯 프린팅 공정에서 문제가 된다. 

디스플레이의 해상도를 높이기 위해 다양한 모양의 퀀텀닷을 적용해 보려 하고 있으나, 다각형의 경우 커피링의 정도가 원형의 경우보다 더 심해지는 경향을 띤다. 이번 연구는 퀀텀닷 패턴의 기하학적 형태에 상관 없이 커피링을 완전히 없애는 기술을 소개한다는 점에서 의미 있다. 

연구팀은 퀀텀닷이 녹아 있는 용매의 성분을 적절히 조율하고 이 액적(물방울)을 복잡한 물리-화학적 공정 없이 단순히 증발시키는 과정을 거쳐 100마이크로미터(㎛) (1만 분의 1ｍ) 수준의 커피링이 전혀 없는 균일 패턴을 구현했다.

다중배열의 균일한 퀀텀닷 패턴 제작기술 모식도 (자료=KAIST)

연구팀은 지난해 물방울이 증발하는 공간을 한시적으로 밀폐해 커피링을 소멸시키는 기술을 발표한 바 있다. 증발율이 다른 두 액체를 혼합하면 휘발성이 높은 액체가 먼저 증발하는데, 이 증기가 공간에 갇히면서 물방울 표면과 반응해 표면장력 차이를 일으킨다. 이에 따라 용액이 표면장력이 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는 '마랑고니 효과'가 일어나 액체를 강하게 섞으면서 커피링 효과를 사라지게 만든다.

이 연구 결과를 실제 디스플레이 양산을 위한 잉크젯 프린팅 공정에 활용하면 복잡한 물리-화학적 공정 없이도 적녹청 퀀텀닷 패턴을 차세대 고효율 QLED 디스플레이 구현에 적용할 수 있을 것으로 기대된다. 

김형수 교수는 "커피링을 없애는 기술을 인쇄전자에 사용되는 값비싼 소재들로 확대하면 효과적으로 대면적 프린팅을 할 수 있고 패터닝 공정도 간소화돼 경제성을 높이는 데 기여할 것"이라고 말했다. 

KAIST 기계공학과 편정수 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 출판됐다. 논문 제목은 Self-Induced Solutal Marangoni Flows Realize Coffee-Ring-Less Quantum Dot Microarrays with Extensive Geometric Tunability and Scalability 이며 다음 웹페이지에서 볼 수 있다. https://doi.org/10.1002/advs.202104519