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리간드 엔지니어링을 통한 발광 양자점의 고해상도 다이렉트-포토리소그래피

High-Resolution Direct-Photolithography of Emissive Quantum Dots via Ligand Engineering,

김혁준 (Kim, Hyeokjun, 서강대학교 일반대학원)

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콜로이드 양자점(QD)은 밴드갭 조절 가능성, 높은 색 순도, 그리고 용액공정의 용이성 등의 장점을 가지고 있어, 다양한 광자 응용 분야에서 유망한 소재로서 연구되고 있다. 특히, 양자점발광다이오드(quantum dots light-emitting diodes, QD-LED)는 수십 나노미터 이하의 얇은 발광층만으로도 우수한 색재현율과 높은 밝기를 나타내면서 효율적인 구동이 가능하기 때문에, 가상 현실(virtual reality, VR)이나 증강 현실(augmented reality, AR)과 같이 가벼우면서 얇고 유연한(fl...
콜로이드 양자점(QD)은 밴드갭 조절 가능성, 높은 색 순도, 그리고 용액공정의 용이성 등의 장점을 가지고 있어, 다양한 광자 응용 분야에서 유망한 소재로서 연구되고 있다. 특히, 양자점발광다이오드(quantum dots light-emitting diodes, QD-LED)는 수십 나노미터 이하의 얇은 발광층만으로도 우수한 색재현율과 높은 밝기를 나타내면서 효율적인 구동이 가능하기 때문에, 가상 현실(virtual reality, VR)이나 증강 현실(augmented reality, AR)과 같이 가벼우면서 얇고 유연한(flexible) 디스플레이 장치에 사용될 수 있다. 다만, 초실감 영상을 구현하기 위해서는 광학적 특성이나 전하수송특성의 손상 없이 3,000 ppi(pixels per inch) 이상의 초고해상도 양자점 패턴을 배열하는 기술이 필요하다. 이러한 과제를 달성하기 위하여 본 연구에서는 광가교성 리간드(photo-crosslinkable ligands, PXLs)와 분산 리간드(dispersing ligands)를 가진 QD의 표면을 고안하여 QD 필름의 비파괴 직접 패터닝(non-destructive direct patterning)을 위한 플랫폼을 제시하였다. 구체적으로, PXL의 구조는 알킬 사슬을 가교시킬 수 있는 벤조페논 기반의 가교부, 알킬 체인으로 구성된 사슬부, 그리고 분산 리간드보다 QD 표면과 친화도(affinity)가 높은 싸이올 기(thiol group) 접합부로 나누어 설계되었다. 특히, UV-A 파장에 대한 짧은 노출 시간만으로 QD 필름에 구조적 견고성을 부여할 수 있도록 가교부의 치환기(substituents)를 제어하였다. PXL의 구조를 성공적으로 제어하면 상용화된 포토리소그래피(i-line) 장비를 통해 QD의 광학적 특성이나 전기적 특성 저하 없이 헤테로리간드 QD를 직접 패터닝할 수 있다. 현재의 접근 방식은 비용 효율적(cost-efficient)이며, 비파괴적인 방식으로 발광 QD의 고해상도 패턴 생성이 가능하므로, 특히 근안 디스플레이에서 QD의 실용적인 사용이 가능할 것으로 기대된다.
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Colloidal quantum dots (QDs) are being studied as promising materials in various photonic applications due to their advantages such as bandgap tunability, high color purity, and ease of solution processing. In particular, quantum dots light-emitting diodes (QD-LEDs) can be operated efficiently whi...
Colloidal quantum dots (QDs) are being studied as promising materials in various photonic applications due to their advantages such as bandgap tunability, high color purity, and ease of solution processing. In particular, quantum dots light-emitting diodes (QD-LEDs) can be operated efficiently while exhibiting excellent color gamut and high brightness with only a thin light emitting layer of several tens of nanometers or less, so it can be used in a light, thin and flexible display device such as virtual reality (VR) or augmented reality (AR). However, in order to realize an ultra-realistic image, a technique for arranging an ultra-high-resolution quantum dot pattern of 3,000 ppi (pixels per inch) or more is required without damage to optical properties or charge transport properties. To achieve this task, in this study, a platform for non-destructive direct patterning of QD films was proposed by designing the surface of QDs with photocrosslinkable ligands and dispersing ligands. Specifically, the structure of PXL was designed by dividing it into a benzophenone-based crosslinking part capable of crosslinking an alkyl chain, a chain part composed of an alkyl chain, and a thiol group anchor part having a higher affinity to the QD surface than the dispersed ligand. In particular, the substituents of the crosslinking part were controlled so that structural rigidity could be imparted to the QD film only with a short exposure time to UV-A light source. If the structure of PXL is successfully controlled, hetero-ligand QDs can be directly patterned without deterioration of the optical or electrical properties of the QDs through commercially available photolithography (i-line) equipment. The current approach is cost-efficient and allows the generation of high-resolution patterns of emissive QDs in a non-destructive method, which is expected to enable practical use of QDs, especially in near-eye displays.