고무처럼 늘어나는 유기발광다이오드 개발

- 모든 부품을 늘어나는 스트레처블 소재로 구현
- 피부에 밀착되는 스트레처블 디스플레이 구현에 응용 기대

접거나 구부리거나 둘둘 마는 디스플레이가 상용화된 데 이어 고무처럼 늘어나는 스트레처블 디스플레이 실현을 위한 연구가 활발한 가운데 모든 부품을 늘어나는 소재로 대체한 유기발광 다이오드(OLED)가 소개됐다.
  한국연구재단(이사장 노정혜)은 박진우 연세대학교 교수 연구팀이 모든 부품을 스트레처블 소재로 제작하여 고무처럼 늘어나는 유기발광 다이오드를 개발했다고 지난달 14일 밝혔다.
  모든 방향으로 늘어날 수 있어 자유로운 형태 변형이 가능한 스트레처블 디스플레이가 가능해지면 화면의 크기나 모양이 바뀌는 스마트폰이나 피부에 보다 밀착되는 웨어러블 기기, 보다 실감나는 3차원 촉각 디스플레이 등에 활용될 수 있다.
  기존에는 늘어날 수 있는 기판에 딱딱한 OLED들을 섬처럼 배치하고 유연한 전선으로 이를 연결해 전선이 늘어나는 힘에 대항하는 방식으로 늘어나는 OLED를 구현하고자 하였다. 하지만 딱딱한 OLED와 유연한 전선의 조합은 높은 인장응력을 견디기 위해 소자의 밀도를 낮춰야 할 수 밖에 없다. 때문에 픽셀 수가 높아야 하는 디스플레이에 적용하는 데에는 한계가 있는데다 제작공정 또한 매우 복잡하다.
  이에 연구팀은 구조가 아닌 소재에 집중했다. OLED를 구성하는 모든 소재(기판, 양극, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 음극)를 늘어날 수 있는 소재로 구현한 것이다. 그 결과 고무처럼 늘어나는 OLED를 구현할 수 있었으며, 80% 인장 응력 하에서도 안정적으로 빛을 방출함을 확인하였다. 특히 디스플레이를 구성하는 3원색인 적색, 녹색, 청색을 모두 60 ~ 80% 인장응력 하에서 일정 이상의 효율로 구현할 수 있었다.
  한편 낮은 곡률 반경(~ 100 μm 이하)의 뾰족한 볼펜심으로 스트레처블 OLED 소자에 변형을 가했을 때에도 안정적으로 동작하였다. 기존에도 OLED 구성 요소들을 늘어나는 소재로 대체하려는 연구는 있었으나 기판과 양극 소재에 그쳐 안정성이 낮았고 연구팀이 처음으로 모든 구성요소를 늘어나는 소재로 구현함으로써 안정성을 높일 수 있었다는 설명이다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘Science Advances’에 2월 24일 온라인으로 게재됐다.

[연구의 주요 내용]

1. 연구의 필요성

스트레처블 디스플레이는 폴더블, 플렉서블 디스플레이보다 더 다양한 형재인자(form factor) 구현이 가능한 차세대 디스플레이로, 실용화될 경우 혁신적인 공정, 소재 기술을 견인할 차세대 디스플레이 시장의 주역이 될 것으로 기대된다. 스트레처블 스마트폰 및 TV 뿐만 아니라 피부에 불편함 없이 부착할 수 있는 웨어러블 기기, 3차원 tactile display 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
  주요 구성요소 가운데 스트레처블 박막형 트랜지스터에 대한 연구는 가속화되고 있으나, 스트레처블 발광소자의 경우 신축성을 갖는 발광 소재 및 다른 기능성 소재들이 전무함에 따라 한계에 부딪히고 있다. 연구되는 대부분의 스트레처블 발광소자의 경우, 딱딱한(rigid) 기존의 유기발광 다이오드(OLED) 소자를 섬(island) 형태로 연성 기판에 부착한 후, 소자들을 구조적으로 디자인 된 전선으로 연결하여 구현하나, 이러한 구조적 방법으로는 기술적 한계가 있다. 따라서 기존의 구조적 방식이 아니라 스트레처블 소재를 적용, OLED 소자 자체가 스트레처블한 특성을 갖도록 하는 접근이 필요하다.

[그림 1] OLED를 구성하는 각 소재를 스트레처블하게 디자인하기 위한 전략들
A) 스트레처블 발광층에 사용된 재료의 구조 및 구조변화 메커니즘
B) 스트레처블 정공 수송층의 구조 변화 메커니즘
C) 스트레처블 전자 수송층/음극 복합체의 구조

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 4월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>