Quantom

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 양자막대 배열도 향상 연구

영문 : Research on improving quantum rod arrangement

과제 팀명

Quantom

지도교수

김다흰 교수님

개발기간

2023년 9월 ~ 2023년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2018340030 이길영 (팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2018340012 김원탁

서울시립대학교 화학공학과 2018340015 나석환

서울시립대학교 화학공학과 2020340056 장서연

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 양자 막대는 높은 양자 효율과 우수한 색재현율, 색 순도 등의 특징을 바탕으로 차세대 디스플레이 물질로써 각광받고 있지만 실제 디바이스 스케일에서 사용하기 위해서는 모든 막대 입자가 일렬로 배열되어야 하는 필수조건을 충족해야 한다.

◇ 양자 막대의 배열을 향상시키기 위하여 Photoalignment, Electric Field Assisted Assembly, Langmuir – Blodgett deposition 등의 방안들이 제안되어 있다.

◇ 다양한 양자 막대의 정렬 방법 중 Photoalignment 방법은 다른 방법에 비해 지역 정렬 방향에 대한 유연성을 제공한다는 측면에서 LCD의 대규모 제조에 적합하다는 장점이 있어 이를 활용하여 더 효율적인 Quantum rods의 배열을 목표로 한다.

◇photoalignment 중 리간드 양자막대 편광된 빛을 쏟아주면 모멘텀을 얻어서 완전 수직하게 되고자 회전을 한다. 어떤 기판이든 쓸수 있다는 장점이 있지만 매트릭스로 쓰다보니 분산성이 좋지 않다. 좋은 리간드란 리간드로서 잘 녹아들면서 엔트로피가 적당히 높아야하고 광학적측면에서 용매와 리간드가 모두 붙어 있어야 한다. 어떻게 나노입자 표면리간드를 액정 안에 많이 넣을 것인가에 대해 연구해 본다.

◇ 따라서 Photoalignment에 따른 Quantum rods의 배열 성능 평가를 위하여 PL QY(photoluminescence quantum yields)와 DOP(degree of polarization)를 측정하고 TEM(transmission electron microscope) image와 각도(θ)에 따른 intensity 그래프를 비교하여 실험 결과를 분석한다.

개발 과제의 배경 및 효과

배경

◇ 기존 상용화된 LCD와 OLED 디스플레이는 무편광 빛을 광원으로 사용하고 있다. 그러나 디스플레이 패널에서 필수적으로 사용되는 편광판으로 인해 전체적인 효율이 절반 이하로 감소하고 수명이 줄어드는 문제점을 갖고 있다. 특히 LCD 디스플레이의 경우 편광된 빛을 이용하는 구동 원리로 두 장의 편광판이 필요하기 때문에 더욱 심각성이 대두되고 있다. 빛의 특정 성분만 통과시키는 편광판의 특성상 LCD의 백라이트의 50% 이상이 편광판을 지나며 손실된다. 그 결과, 전체적인 효율이 절반 이하로 감소하고, 손실된 빛을 보상하기 위해 디스플레이를 두 배 더 밝게 켜야 한다. 이 때문에 디스플레이의 수명이 줄어들고 소비전력이 커지는 것이다.

효과

◇ 최근 연구에 따르면 디스플레이에 나노 물질을 도입하여 이러한 문제점들을 해결하고자 한다. 이러한 나노 물질에는 양자점, 양자 막대, 나노 플레이트 등이 있으며 그중에서도 양자 막대의 경우 높은 양자 효율과 우수한 색재현율, 색 순도 등의 특징을 바탕으로 차세대 디스플레이 물질로써 각광받고 있다. 양자막대를 활용하여 만든 QREF(Quantum rods enhancement film)는 선형 편광 방출을 통해 LCD 효율성을 높인다.

◇ 양자 막대 배향성을 향상시킴으로써 발광체의 밀도가 증가함에 따라 발생하는 소광(quenching) 현상을 방지하는 목적이 있다. 또한, 배향성을 향상시켜 편광 특성을 향상시키고, 광효율을 향상하는 양자 막대 및 이를 이용한 디스플레이를 제공하는데 목적이 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

연구 목표

◇ 다양한 양자 막대의 정렬 방법 중 Photoalignment 방법을 활용하여 양자 막대의 배열 성능을 높임으로써 LCD의 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다.

연구 내용

◇ 현재 양자 막대 및 다른 분야에서 적용한 photoalignment에 관한 선행 연구를 분석하여 기존 양자 막대에서 활용한 방법의 보완해야 할 점을 탐색한다.

◇ 디스플레이의 효율을 상징하는 parameter인 PL QY(photoluminescence quantum yields)와 DOP(degree of polarization)가 영향을 받는 요인에 어떤 것들이 있는지 파악하여 문제의 개선 방안을 설정한다.

◇ 최종적으로 나온 TEM(transmission electron microscope) image와 각도에 따른 intensity 그래프를 비교하여 고효율의 디스플레이를 결정한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황

• State of art

◇ 양자 막대의 다양한 정렬 방법 얇은 필름에서 높은 order parameter를 가진 양자 막대가 균일하게 정렬되지 않은 것은 양자막대를 광범위하게 응용하기에 가장 제약을 받는 요인이다. 최근 양자 막대를 정렬하기 위한 여러 기술들을 개발하고 있는데, 대표적으로 Langmuir-Blodgett 기술, 전기장을 이용한 양자 막대 정렬, photoalignment를 활용한 정렬이 있다.

◇Electric field assisted Assembly Drindic 박사 연구 그룹은 전기장을 적용하여 CdSe 및 CdTe 양자 막대를 정렬한 바 있습니다. 정렬에 사용된 장치는 Figure에서 보듯이 membrane을 유지하기 위해 대략 100 nm 두께의 실리콘 질화물 위에 IDE로 이루어져 있다.

Fig 1. Electric field에서의 Quantum rod alignment

Hexane/octane 용액에서 CdSe 또는 CdTe 양자막대는 각 장치 위에 설치되어 전극에 전압을 가한다. 나노 패턴 전극에 의해 발생하는 전기장은 양자 막대의 위치와 정렬을 제어한다. 전자 현미경(TEM) 및 원자력 현미경을 활용하여 적용된 전기장의 방향으로 양자 막대가 정렬하는 것을 확인하였으며, 희석 및 농축된 용액에서 각각 전압 기반의 전극의 주변 및 중심에서 증착한다. 전반적으로 이 방법은 외부의 힘을 활용하는 다른 방법들에 비해 양자 막대를 정렬할 수 있으나, 배치 과정에서 사전에 정렬된 전극이 필요하고 양자 막대 주변을 전극이 다 가려야 하기 때문에 현실적으로 수행하기 힘든 방법이라고 할 수 있다.

◇ Langmuir-Blodgett 기술 Seunghyun Rhee 등은 양자 막대에 대한 정렬 방법의 문제를 다음과 같이 제시한다. 기반이 되는 층에 손상을 주지 않아야 하고, 얇은 층 수준에서 증착 두께를 제어할 수 있어야 하고, 균열과 공백 없이 고밀도 필름을 생성할 수 있어야 하며 효율적인 전하 주입을 방해할 수 있는 물질이 있어야 한다는 것이다. 그런 점에서 이들은 Langmuir-Blodgett 기술을 채택하여 이러한 모든 요구사항을 충족시켰다.

Fig 2. Langmuir-Blodgett 기술을 활용한 증착 개략도

위 그림은 Langmuir-Blodgett(LB) 기술을 사용한 양자 막대 필름 증착 과정이다. LB 그릇에는 물의 표면에 떨어지는 비극성 용매(hexane)에서 용해된 탈이온화 물(DI)과 양성적인 양자 막대로 채워져 있다. 양자 막대는 측면비가 대략 6의 값을 가진 CdSe/CdS 구체 core/막대 모양 shell로 구성되어 있다. 양자 막대가 소수성의 유기적인 리간드로 덮여있기 때문에, 양자 막대가 가라앉거나 섞이지 않고 DI 물 표면에 빠르게 퍼진다. 용매를 증발시킨 후 양쪽 끝의 경계가 가운데로 움직이며 떠다니는 양자 막대를 압축한다. 표면 압력이 증가하여 물의 표면에서 매우 밀집된 필름을 만들 수 있다. 하지만 락뮤어 기술의 경우 분자 간 힘인 반데르발스 인력에 의존하기 때문에 힘의 세기가 다른 방법들에 비해 크지 않다. 따라서 양자 막대의 정렬이 쉽게 깨질 수 있다.

◇ Photoalignment Photoalignment는 양자 막대 나노입자의 리간드와 액정 고분자 사이의 분자간 힘에 기반하여 양자 막대의 정렬에서 세밀하게 조절할 수 있게 만든다. 양자 막대에 붙어있는 리간드와 주변 물질간의 상호 작용이 photoalignment에 주요하게 작용하는 힘이다.

Fig 3. 리간드, LCP 구조(left), 리간드의 극성 부분과 양자 막대가 결합한 개략도(right)

양자 막대 리간드는 QR과 결합하는 머리 부분(극성, yellow)과 리간드의 표면 기능성을 나타내는 지방족 꼬리 부분(무극성, blue)으로 이루어져 있다. 또 LCP(액정 폴리머) 분자는 머리 부분(극성, yellow)과 방향족 꼬리 부분(green)을 갖고 있다. 2가지 모두 친수성을 띄며, 특히 극성 머리 부분은 양자 막대 리간드의 지방족 탄소와 상호 작용할 때 밀어내는 힘을 생성한다. Photoaligned 된 LCP/QR 필름의 제작은 다수의 간단한 과정을 통해 만들어진다.

Fig 4. Photoalignment 기술을 활용한 QREF 제작 과정

SD1 정렬층은 액정 분자에 회전력을 전달하고 SD1의 정렬하기 쉬운 방향의 축과 평행한 방향으로 정렬시킨다. 동시에 회전력과 반대 방향인 양자 막대 리간드와 액정 분자 간 반발하는 힘으로 인해 양자 막대가 SD1의 정렬하기 쉬운 방향의 축과 수직 방향으로 정렬된다. 이렇듯 양자 막대 리간드는 시스템 총 에너지를 최소화하는 방향으로 행동한다.

• 특허조사

◇ 특허명 : 나노입자 및 그 제조방법

출원번호 : 10-2013-0104368

출원일자 : 2013년08월30일

국제특허분류(Int. Cl.) : B82B 1/00 (2017.01) C09K 11/02 (2006.01) C09K 11/08 (2006.01) G02B 5/30 (2006.01)

공개번호 : 10-2015-0026051

공개일자 : 2015년03월11일

특허권자 : 엘지디스플레이 주식회사

- 양자 점 또는 양자 라드를 이용한 나노입자 및 그 제조방법에 관한 발명

- 나노입자는 막대 형상의 코어, 상기 막대 형상의 코어를 둘러싸는 쉘, 및 상기 쉘에 결합되는 유기결합체를 포함하고, 유기결합체는 막대 형상의 장축에 위치하는 소수성 유기결합체 및 상기 막대 형상의 단축에 위치하는 친수성 유기결합체를 포함한다. 이를 통해 스스로 일정 방향으로 자기 조립되어 정렬도를 향상시킨다.

- 양자 라드를 구비한 편광필름 및 표시장치를 제조하는데 있어 양자 라드들을 정렬시키는 부가적인 공정이 수반되지 않아 제조가 용이하다.

◇ 특허명 : 양자막대 및 이를 포함하는 액정표시장치

출원번호 : 10-2013-0146273

출원일자 : 2013년11월28일

국제특허분류(Int. Cl.) : G02F 1/00 (2006.01) G02F 1/1335 (2019.01) G02F 1/13357 (2006.01)

공개번호 : 10-2015-0061918

공개일자 : 2015년06월05일

특허권자 : 엘지디스플레이 주식회사

- 편광특성을 극대화시킨 양자막대에 관한 발명으로 양자막대의 쉘의 표면에 액정 리간드를 결합한다.

- 양자막대는 자가배향이 유도되고 양자막대는 일 방향으로 균일하게 배열되어 양자막대에 높은 전압을 인가하지 않고 양자막대의 편광특성 구현 가능하다.

- 편광특성 향상되므로 이를 통해 투과율 향상과 공정 단순화 가능하다.

- 양자막대를 포함하는 편광시트를 액정표시장치에 적용할 경우, 휘도 특성을 향상시키고 동일 수준의 휘도 특성을 구현할 경우에는 백라이트유닛을 구동하기 위한 소비전력을 낮춘다.

◇ 특허명 : Photoaligned quantum rod enhancement films(광정렬된 양자 막대 강화 필름)

출원번호 : 16094171

출원일자 : 20170510

국제특허분류(Int. Cl.) : G02F 1/1335 | G02F 1/13357 | G02F 1/1337

공개번호 : WO2017193923

공개일자 : 20171116

특허권자 : THE HONG KONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

-광정렬된 양자 막대 강화 필름에 대한 것으로, 기판 (802, 805) ; 기판 (802, 805)에 침전시킨 광 정렬 층을 포함한다.

- 광배향 층에 침전시킨 중합체 층, 중합체 층이 다수의 양자막대를 포함한다.

- 양자막대가 펌핑된 광에 반응하여 광의 1 이상의 파장을 방출하기 위해 구성되고, 광 정렬 층에 기초가 된 정렬 축에 정렬된다.

• 특허 전략

◇ 개발 목표 : 본 연구의 개발 목표는 다양한 양자 막대의 정렬 방법 중 Photoalignment와 그 외의 주변기술들을 융합하여 LCD의 대규모 제조에 적합하고 더 효율적인 양자 막대 정렬 방법을 개발하는 것이다.

◇ 해당 기술의 이점 : 해당 기술이 개발되어 상용화 단계에 이르게 되면 기존 디스플레이의 불필요한 광손실로 인한 성능 저하 문제를 해결하여 긴 수명과 낮은 소비전력을 가진 디스플레이를 생산할 수 있게 된다.

◇ 연구 개발 진행 방향 : 양자 막대를 디스플레이에 활용하기 위해서는 디스플레이 액정 기판에 양자막대를 잘 분산시켜야 한다. 나노 양자막대는 원기둥 형태의 나노 입자와 표면의 리간드로 구성되어 있는데, 이러한 양자막대를 액정에 분산시키려면 분자끼리의 호환성을 고려하여 리간드와 액정 사이의 탄성에너지를 낮춰야 한다.따라서 이번 연구를 통하여 Photoalignment 과정에서 발생되는 Liquid Crystal monomer와 Quantum rods 사이의 반발력을 줄임으로써 층분리를 최소화할 수 있는 리간드를 고안하는 것을 목표로 한다.

개발과제의 기대 효과

• 기술적 기대효과

Quantum Rods의 단일 방향성 배열은 QR 필름의 편광 방출에 영향을 주어 LCD의 광학 효율을 향상시킬 수 있다. 편광 emitter가 구비된 backlight는 색상 변환 층으로서 광학 필름의 편광 효율을 45%에서 70%로 높일 수 있고 LCD의 전체 효율은 3~5%에서 6~8%로 높일 수 있다.

fig.5 디스플레이의 구조와 효율 비교

◇ Photoalignment는 배열 과정에 특정 전극 기판을 필요로 하지 않고 평면 정렬 제어 능력이 좋다는 장점이 있다. QRs의 배열도 향상을 효과적으로 달성할 수 있으며 전자 기기에서의 응용 가능성이 높다.

◇ 잘 정렬된 반도체 양자점의 편광 방출은 현대 LCD의 효율을 향상시킬 큰 잠재력을 가지고 있다. LC 장치가 좁은 대역폭의 빛만을 변조하여 셀의 두께를 줄일 수 있고 응답 시간과 구동 전압을 향상시킬 수 있다.또한, 이러한 발광 컬러 필터는 빛의 많은 부분을 흡수하는 대역 통과 컬러 필터를 대체함으로써, 높은 PLQY를 가지는 경우 더 높은 시청 각도에서 색상의 정확도를 향상시킬 수 있다.

• 경제적 및 사회적 파급효과

◇ 디스플레이 시장은 수년 내 2000억 달러 이상으로 성장하고 2025년까지 60% 이상의 TV와 50% 이상의 모니터에 반도체 QD, QR 등 관련 물질이 활용될 것으로 예상된다. 따라서 관련 기술의 향상은 디스플레이 시장 확대를 통한 경제 성장 및 고용 창출 효과를 유발할 것으로 보인다.

◇ Quantum Rods의 alignment 향상은 편광판으로 인한 빛의 손실을 보상하기 위해 발생되는 디스플레이 수명 감소를 개선하고 소비 전력을 감소시키는 데 도움이 된다. 따라서 디스플레이 생산 과정에서 발생되는 환경 오염 발생을 줄이고 디스플레이에 활용되는 자원 및 에너지를 절약할 수 있어 환경 문제의 해결에 도움을 줄 수 있다.

◇ 디스플레이의 품질 향상은 더 높은 화질과 해상도를 제공하여 이용자들로 하여금 영화, 게임과 같은 예술 및 오락 활동을 더 생동감 있고 몰입도 있게 경험할 수 있게 한다. 이에 따라 시민들이 향유하는 문화생활의 질을 높이는 데 도움을 줄 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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상세설계 내용

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결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

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포스터

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관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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