[지금은 과학] 100% 유연소재로 고무처럼 늘어나는 OLED 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 기판과 전선 뿐만 아니라 전극과 발광층을 포함한 모든 부품이 3차원으로 늘어날 수 있는 스트레처블(stretchable) OLED 제작기술이 선보였다.

늘어나는 기판 위에 딱딱한 OLED를 듬성듬성 배치해 만들었던 기존의 유연 디스플레이와 달리 모든 방향으로 늘어날 수 있고 자유롭게 변형이 가능해 진정한 의미의 유연 디스플레이 실현에 한 걸음 다가설 연구로 주목된다.

한국연구재단은 '모든 부품을 늘어나는 소재로 제작해 고무처럼 늘어나는 유기발광 다이오드를 개발'한 박진우 연세대 신소재공학과 교수팀의 최근 연구성과를 소개했다.

스트레처블 디스플레이는 폴더블, 롤러블을 넘어 더 다양한 폼팩터(form factor)를 구현할 수 있는 차세대 디스플레이다. 크기와 모양을 자유자재로 변형할 수 있는 스마트폰, 3차원 변형이 가능한 디스플레이, 피부에 부착할 수 있는 웨어러블 기기 등 활용가능성이 무궁무진하다.

그동안의 스트레처블 디스플레이 연구는, 늘어날 수 있는 기판에 딱딱한 OLED들을 섬처럼 배치하고 유연한 전선으로 이를 연결하는 '구조적 방식'이 주로 이루어졌다. 기판과 전극, 박막 트랜지스터 등에 비해 발광소자의 경우 유연재료 연구가 부족한 때문이다.

하지만 딱딱한 OLED와 유연한 전선의 조합은 높은 인장응력을 견디기 위해 소자의 밀도를 낮출 수 밖에 없다. 때문에 픽셀 수가 높아야 하는 디스플레이에 적용하는 데에는 한계가 있는데다 제작공정 또한 매우 복잡하다.

박진우 교수 연구팀은 구조가 아닌 소재에 집중했다. 기존의 구조적 방식이 아니라 OLED 소자 자체가 스트레처블한 특성을 갖도록, OLED를 구성하는 모든 소재(기판, 양극, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 음극)를 늘어날 수 있는 소재로 구현하고자 했다.

연구팀은 "모든 소재를 늘어날 수 있게 디자인하기 위해 각각의 소재에 대한 연구들을 진행하고, 이후 각 소재들을 기반으로 스트레처블 OLED 소자를 제작했다. 각각의 소재에 고유한 방법론을 사용해 발광층은 물론 정공 수송층, 전자 수송층 등 모든 소재를 직접 설계했다"고 연구과정을 설명했다.

기판 소재는 실리콘 고무를 사용했다. 양극 소재는 실리콘 고무에 은 나노선 네트워크를 표면에 살짝 묻는 공정(embedding process)으로 제작했다. 정공 수송층은 비이온성 계면활성제를 사용해 기존 소재의 나노구조를 제어해 제작했으며, 전자 수송층 및 음극은 점성을 갖는 아민 계열 고분자와 산화아연 나노 입자 및 은 나노선 네트워크의 복합 구조체로 만들었다.

연구팀은 이렇게 설계한 소재를 용액 공정을 통해 스트레처블 OLED 소자로 제작하는 데 성공함으로써 구성 재료가 모두 스트레처블 한 OLED 소자를 처음으로 구현해 냈다.

박진우 교수는 "제작된 소자는 기존에 보고된 스트레처블 OLED 소자에 비해 약 60% 낮은 구동 전압 및 약 80% 의 연신 하에서도 안정적으로 동작했으며, 40%의 연신율로 200회 연신 후에도 성능이 크게 변하지 않는 것을 확인했다. 특히 디스플레이를 구성하는 3원색인 적색, 녹색, 청색을 모두 60 ~ 80% 인장응력 하에서 일정 이상의 효율로 구현할 수 있었으며 100 마이크로미터 이하의 낮은 곡률 반경을 갖는 볼펜심으로 소자에 3차원 변형을 가했을 때에도 안정적으로 동작했다"고 밝혔다.

박 교수는 이번 연구가 "OLED를 구성하는 모든 재료를 스트레처블하게 제작하고, 모든 방향으로 늘어나면서도 기계적 안정성이 매우 우수한 스트레처블 OLED를 제작할 수 있음을 확인한 것에 의의가 있다"면서 "향후 안정성과 효율을 높이고 대량생산 공정을 개발해 상용화 수준에 근접한 스트레처블 OLED 소자를 개발할 계획"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구지원사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 2월 24일 온라인으로 게재됐다.

◇논문명 : Intrinsically Stretchable Organic Light-Emitting Diodes

◇저자 : 박진우 교수(교신저자, 연세대학교), 김진훈 박사 (제1저자, 연세대학교)