사진. 한국전자통신연구원

한국전자통신연구원(이하 ETRI)이 국내 디스플레이 소재·부품·장비 기업들과 협력해 하나의 기판 위에 OLED와 양자점(이하 QD) 색변환층을 적층하는 차세대 QD-OLED 공정 기술을 구현했다. 기존 이중 기판 구조의 한계를 개선해 더욱 얇고 정밀한 디스플레이 제작 가능성을 제시한 성과다.

ETRI는 (주)고산테크, 덕산네오룩스(주)와 공동으로 산업용 잉크젯 프린팅 공정을 활용한 ‘단일 기판 적층형 QD-OLED’ 패널 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 화학공학 분야 국제 학술지인 Chemical Engineering Journal에 게재되며 기술적 독창성과 산업적 활용 가능성을 인정받았다.

QD-OLED는 청색 OLED에서 발생한 빛을 양자점이 적색과 녹색으로 변환해 높은 색재현성과 화질을 구현하는 디스플레이 기술이다. 현재 상용 제품은 청색 OLED 기판과 QD 색변환 기판을 각각 제작한 뒤 두 기판을 접합하는 방식을 사용한다. 이 과정에서 충진재층과 정밀한 정렬 및 합착 공정이 필요해 패널 두께가 증가하고 제조 공정도 복잡해지는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 청색 OLED 발광층 위에 박막봉지(TFE)층을 형성한 뒤 블랙 픽셀 정의층(이하 Black PDL)과 QD 색변환층을 직접 적층하는 구조를 적용했다. 이를 통해 별도의 QD 기판 없이 하나의 기판에서 OLED 발광층과 색변환층을 연속적으로 제작할 수 있는 공정 가능성을 확인했다.

이번 성과의 핵심 기술은 산업용 잉크젯 프린팅 장비와 100℃ 이하 저온 공정에서도 구현 가능한 Black PDL 소재, QD 잉크 소재를 하나의 제조 공정으로 통합한 데 있다. 단순한 소자 단위 실험을 넘어 실제 6인치 패널 수준에서 공정을 검증했다는 점에서도 의미가 크다.

특히 프리미엄 스마트폰과 폴더블 OLED에 적용되는 Color-filter-on-Encapsulation(이하 COE) 개념을 잉크젯 기반 QD-OLED 구조에 확대 적용했다. 기존 COE 구조가 외부 빛 반사를 줄이는 데 초점을 맞췄다면 이번 기술은 Black PDL 내부에 QD 색변환층까지 직접 형성해 색변환 기능을 하나의 기판에 집적했다는 점에서 차별성을 갖는다.

QD 색변환층은 청색 OLED 빛을 적색과 녹색으로 변환하는 핵심층으로 높은 변환 효율을 위해 충분한 두께가 요구된다. 동시에 화소 간 빛 번짐을 방지하기 위해서는 높은 종횡비의 Black PDL 구조가 필요하지만 기존 소재는 이러한 구조 형성과 고온 공정에서의 OLED 성능 저하 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 덕산네오룩스(주)는 100℃ 이하 저온에서도 안정적으로 형성 가능한 고종횡비 Black PDL 소재를 개발했으며, (주)고산테크는 다수 노즐 기반 산업용 잉크젯 헤드와 공정 제어 기술을 제공해 미세 화소 영역에 QD 잉크를 정밀하게 분사할 수 있는 기반을 마련했다.

ETRI는 이들 기술을 통합해 단일 기판 적층형 QD-OLED 제작 공정을 최적화했으며, 6인치 기판에 총 18만 4,800개의 서브픽셀과 141ppi 수준의 화소 밀도를 구현했다. 

연구진은 이번 기술이 패널 두께를 줄이고 기판 합착 공정을 단순화하는 동시에 정렬 오차를 최소화할 수 있어 차세대 디스플레이 제조 경쟁력을 높일 것으로 기대하고 있다.

향후 대형 프리미엄 TV뿐 아니라 얇은 폼팩터와 초고해상도가 요구되는 혼합현실(MR)과 확장현실(XR) 디스플레이 분야에도 적용 범위가 확대될 전망이다. 특히 국내 소재·부품·장비 기술을 기반으로 패널 제작까지 이어지는 전주기 기술 체계를 확보했다는 점에서 산업적 의미도 크다.

ETRI 권병화 실감디스플레이연구실 박사는 “이번 연구는 산업용 잉크젯 프린팅 기술과 QD 색변환층, Black PDL 적층 구조를 결합해 차세대 QD-OLED의 산업적 방향성을 제시한 성과”라며 “소재와 공정, 패널 제작까지 이어지는 전주기 기술 기반을 확보한 만큼 향후 초고해상도 MR·XR 디스플레이 시장 선점에도 기여할 것으로 기대한다”라고 말했다.