Special 차세대 유연성/신축성 소재 및 디바이스 기술 개발 동향

교류전계발광소자(Alternating current electroluminescent device)의 연구개발 동향

배진우_한국기술교육대학교 교수

오승주_한국기술교육대학교 박사과정

최승은_한국기술교육대학교 석사과정

1. 서론

우리 주변에서는 다양한 감각을 결합한 ‘공감각적(synesthetic)’ 웨어러블 기기의 수가 점차 증가하고 있다. 이러한 기기들은 서로 다른 감각 정보를 교환하거나 변환함으로써 사용자가 주변 환경을 더욱 풍부하게 경험하고 더 직관적으로 이해할 수 있도록 한다. 예를 들면, 청각적 정보인 소리를 시각적 정보인 빛으로 전환하거나, 촉각을 빛으로 표현하는 상호작용형 디스플레이가 있다.[1,2,3] 이러한 공감각적 디스플레이는 다양한 환경에서 사용자와 기계 간 상호작용을 증진시킬 수 있는 혁신적인 도구로 주목받고 있다. 이러한 기술을 실생활에 효과적으로 적용하기 위해서는 사용자의 움직임에 유연하게 대응하고 반복적인 외부 변형에도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 기계적 신뢰성이 필수적이다. 공감각적 디스플레이에 대한 수요는 고신축성을 갖춘 다기능성 광전자 장치에 대한 개발 요구로 이어지고 있다.

액정 디스플레이(Liquid Crystal Display, LCD)는 긴 수명과 높은 해상도, 밝은 화면과 비용 효율성으로 인해 여전히 현대 디스플레이의 주류 기술로 자리매김하고 있다. 그러나 색상 필터 및 백라이트의 딱딱한 특성으로 인해 유연 소자로 적용에는 한계가 있다. 반면, 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED)는 자체 발광(self-emissive)방식으로 색 영역(color gamut)이 넓고 더욱 선명한 색상 표현이 가능하며, 높은 유연성을 제공할 수 있다는 장점이 있다.[4] 그러나 발광재료의 내재적 불안정성으로 인해 습도, 온도, 산소와 같은 환경 요소를 엄격히 제어해야 한다는 한계가 존재한다. 또한, 균형 잡힌 전하 주입(charge injection)을 위해서 전극의 일함수(work function)를 정교하게 제어해야 하므로 제작 공정이 복잡하고 제작 비용이 큰 단점이 있다.

그림 1. 액정디스플레이 (LCD), 유기발광다이오드 (OLED), 교류전계발광소자 (ACEL)의 구조

교류전계발광소자(Alternating Current Electroluminescent device, ACEL device)는 두 개의 전극 사이에 발광물질이 포함된 층을 넣는 간단한 구조로 구성되어 제작과정이 비교적 단순하여 대량 생산이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 교류전계발광소자기반 디스플레이는 가볍고, 우수한 유연성 및 신축성을 보유할 수 있다.[4] 이러한 특성은 다양한 형상 및 표면에 적용 가능하게 하여, 웨어러블부터 자동차 내장 디스플레이 등 다양한 분야로의 응용을 가능하게 한다. 더불어, 비교적 적은 전력을 소모하며 수명이 긴 특성이 있다. 그러나 교류전계발광소자 기반 디스플레이가 실생활에 널리 사용되기 위해서는 높은 구동 전압, 색상에 따른 밝기 편차, 제한적인 색 영역, 낮은 해상도, 장기구동 안정성, 다양한 환경(온도, 습도)에서의 구동 안정성 등의 문제를 해결해야 한다. 이를 해결하기 위한 연구 동향을 교류전계발광소자의 원리와 특징에서부터 발광 유전층, 전극 순으로 살펴보았다. 또한 이들의 문제점 및 발전방향에 대해서 논하고, 교류전계발광소자를 활용한 다양한 어플리케이션의 연구동향에 대해서 정리하였다.

2. 본론

2-1. 교류전계발광소자의 원리와 특징

교류전계발광소자(Alternating Current Electroluminescent device, ACEL device)는 교류 전기장을 사용하여 빛을 발생시키는 디스플레이 기술이다. 특히, 구리가 도핑된 황화아연 형광체(ZnS:Cu)는 교류전계발광소자에서 가장 널리 사용되는 발광 물질 중 하나이다.

ZnS기반 교류전계발광소자의 발광은 고에너지 전자충돌 여기 메커니즘(Hot-electron impact excitation mechanism)에 기초한다. 이 메커니즘은 전자 주입, 전자 가속, 발광 중심 여기, 광학적 전이의 총 4단계의 과정으로 진행된다. ZnS 결정 내에는 Cu와 같은 불순물이 도핑되어 있으며, 이것이 발광 중심 역할을 수행한다. ZnS 형광체에 교류 전기장이 인가되어 임계값을 초과하면, 계면에 축적된 전자들이 ZnS 내부로 주입되며(전자 주입), 이후 강한 전기장에 의해 가속되어 고에너지 상태의 hot electron으로 전환된다(전자 가속). 이 고에너지 전자들이 발광 중심인 Cu 불순물과 충돌함에 따라, Cu 원자의 전자가 들뜬 상태로 여기된다(발광 중심 여기). 이후 기저 상태로 전이하면서, 해당 에너지는 특정 파장의 빛으로 방출된다(광학 전이). 이러한 전자 주입과 가속 과정은 교류 전기장의 주기적인 반전으로 반복되며, 이로 인해 지속적인 발광이 가능해진다.[5]

발광소자의 발광 강도(luminance intensity)는 교류 전기장의 전압과 주파수에 영향을 받는다. 특히, 전압과 발광 강도에 대한 식인 Alfrey-Taylor 방정식으로 표현될 수 있다.[6] 

여기서, L은 휘도, V는 구동전압, L0과 β는 장치특성과 관련된 상수로 발광물질, 유전체의 특성, 소자 구조 등에 따라 달라질 수 있다.

ZnS는 Cu 외에도 Al, Mn 등의 원소를 도핑함으로써 초록색 및 주황색 발광을 구현할 수 있다. 그러나 ZnS 기반 형광체는 청색에서 주황색 사이의 제한된 색 구현만 가능하며, 특정 색을 표현하려면 해당 주파수 범위에만 작동해야 하는 주파수 민감성의 제약이 존재한다. 또한, 50 nm 이상의 넓은 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)을 가져 색순도가 낮으며, 주황색 발광 형광체는 청색 및 녹색 발광 형광체에 비해 성능이 현저히 떨어져 단일 디바이스에서 풀컬러(Full-color) 디스플레이로써 사용이 어렵다는 문제가 있다.[4] 이러한 문제를 해결하기 위해서 최근에는 광 발광을 일으키는 대표적인 물질인 페로브스카이트 발광물질과 함께 사용하여 색상 범위를 넓히고, 색 순도를 높이는 연구가 진행되고 있다.[4]

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