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 교수(연세대학교) 연구팀이 모든 부품을 스트레처블 소재로 제작하여 고무처럼 늘어나는 유기발광 다이오드를 개발했다고 밝혔다. 

모든 방향으로 늘어날 수 있어 자유로운 형태 변형이 가능한 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 구현하고자 했다. 하지만 딱딱한 OLED와 유연한 전선의 조합은 높은 인장응력을 견디기 위해 소자의 밀도를 낮춰야 할 수밖에 없다. 때문에 픽셀 수가 높아야 하는 디스플레이에 적용하는 데에는 한계가 있는데다 제작공정 또한 매우 복잡하다. 

따라서 기존의 구조적 방식이 아니라 스트레처블 소재를 적용, OLED 소자 자체가 스트레처블한 특성을 갖도록 하는 접근이 필요하다. 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.

모든 소재를 스트레처블하게 디자인하기 위하여 각각의 소재에 고유한 방법론을 사용하였으며, 다양한 분석법을 통해 각 소재의 기계적, 전기적 특성을 분석하였다. 광 투과성, 화학적 안정성, 생체적합성, 기계적 안정성이 우수한 실리콘 고무를 기판 소재로 사용하였으며, 이 실리콘 고무에 은 나노선 네트워크를 표면에 살짝 묻는 공정(embedding process)를 사용하여 스트레처블 양극 소재를 제작하였다.
 
정공 수송층은 비이온성 계면활성제를 사용하여 기존 정공 수송층 소재의 나노구조를 제어함으로써 스트레처블 정공 수송층을 제작 하였으며, 가소제를 첨가하여 스트레처블 발광층 소제를 설계하였다. 전자 수송층 및 음극은 점성을 갖는 아민 계열 고분자와, 산화아연 나노 입자 및 은 나노선 네트워크의 복합 구조체를 형성함으로써 스트레처블 전자 수송층 및 음극 소재를 설계하였다. 이렇게 설계한 소재를 용액 공정을 통해 스트레처블 OLED 소자로 제작하는 데에 성공하였다. 즉, 구성 재료가 모두 스트레처블한 OLED 소자를 처음으로 구현했다. 

그 결과, 기존에 보고된 스트레처블 OLED 소자에 비해 약 60% 낮은 구동 전압 및 약 80% 의 연신 하에서도 안정적으로 동작하였으며, 40% 의 연신율로 200회 연신 후에도 OLED소자의 성능이 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 특히 이러한 반복적인 연신 하에서도 안정적인 성능을 보인 것은 이번이 처음으로, 향후 구조적인 방식을 사용하지 않는 스트레처블 디스플레이 소자의 가능성을 확인하였다.

한편, 낮은 곡률 반경(~ 100 μm 이하)의 뾰족한 볼펜심으로 스트레처블 OLED 소자에 변형을 가했을 시에도 안정적으로 동작함을 확인하여 3차원 변형이 가능함을 확인하였다. 또한 디스플레이를 구성하는 3원색인 적, 녹, 청색의 스트레처블 OLED 소자도 본 연구에서 구축한 방법론을 통해 형성할 수 있음을 보여 실제 디스플레이에 응용 가능함을 확인하였다.

연구진은 본 연구가 계속 발전한다면 향후 스트레처블 디스플레이 뿐만 아니라 3차원 변형이 가능한 tactile 디스플레이 및 인체 피부, 장기 등에 자유롭게 부착이 가능한 웨어러블 디스플레이 소자 등에 응용 가능할 것으로 기대된다고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 2월 24일 게재(온라인) 되었다. 

* 논문명: Intrinsically Stretchable Organic Light-Emitting Diodes
* 저널명: Science Advances
* 키워드: Intrinsically stretchable(고유 신축성), organic light emitting diodes(유기발광 다이오드), conjugated polymers(공액 고분자), plasticizing effect(가소화), multi-dimensional materials(다차원 재료)
* DOI: 10.1126/sciadv.abd9715
* 저자: 박진우 교수(교신저자, 연세대학교), 김진훈 박사 (제1저자, 연세대학교)

김한나 기자 다른기사 보기