고무처럼 늘어나는 유기발광다이오드 개발-모든 부품을 늘어나는 스트레처블 소재로 구현
등록일 2021.03.16.
고무처럼 늘어나는 유기발광다이오드 개발
모든 부품을 늘어나는 스트레처블 소재로 구현
모양 바꿀 수 있고 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 교수(연세대학교) 연구팀이 모든 부품을 스트레처블 소재로 제작하여 고무처럼 늘어나는 유기발광 다이오드를 개발했다고 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 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 2월 24일 게재(온라인) 되었다.
주요내용 설명
<작성 : 연세대학교 신소재공학과 박진우 교수>
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
저 자
박진우 교수(교신저자, 연세대학교), 김진훈 박사 (제1저자, 연세대학교)
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 기대됨. 스트레처블 스마트폰 및 TV 뿐만 아니라 피부에 불편함 없이 부착할 수 있는 웨어러블 기기, 3차원 tactile display 등 다양한 분야에 횔용될 수 있음.
○ 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 있음.
○ 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 있음.
○ 따라서 기존의 구조적 방식이 아니라 스트레처블 소재를 적용, OLED 소자 자체가 스트레처블한 특성을 갖도록 하는 접근이 필요함.
2. 연구내용
○ OLED를 구성하는 모든 소재(기판, 양극, 정공 수송층, 발광층, 전자 수송층 및 음극)들을 모두 기계적으로 스트레처블 하게 디자인하였으며, 이 소재를 기반으로 한 스트레처블 OLED 소자를 제작하였음.
○ 모든 소재를 스트레처블 하게 디자인하기 위하여 각각의 소재에 고유한 방법론을 사용하였으며, 다양한 분석법을 통해 각 소재의 기계적, 전기적 특성을 분석하였음.
○ 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 제작하였음.
○ 정공 수송층은 비이온성 계면활성제를 사용하여 기존 정공 수송층 소재의 나노구조를 제어함으로써 스트레처블 정공 수송층을 제작 하였으며, 가소제를 첨가하여 스트레처블 발광층 소제를 설계하였음.
○ 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 설계하였음. 이렇게 설계한 소재를 용액 공정을 통해 스트레처블 OLED 소자로 제작하는 데에 성공하였음. 즉, 구성 재료가 모두 스트레처블 한 OLED 소자를 처음으로 구현함.
○ 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 확인하였음. 특히 이러한 반복적인 연신 하에서도 안정적인 성능을 보인 것은 이번이 처음으로, 향후 구조적인 방식을 사용하지 않는 스트레처블 디스플레이 소자의 가능성을 확인하였음.
○ 또한 낮은 곡률 반경(~ 100 μm 이하)의 뾰족한 볼펜심으로 스트레처블 OLED 소자에 변형을 가했을 시에도 안정적으로 동작함을 확인하여 3차원 변형이 가능함을 확인하였음. 디스플레이를 구성하는 3원색인 적, 녹, 청색의 스트레처블 OLED 소자도 본 연구에서 구축한 방법론을 통해 형성할 수 있음을 보여 실제 디스플레이에 응용 가능함을 확인하였음.
3. 기대효과
○ 본 연구에서는 OLED를 구성하는 모든 소재를 스트레처블하게 디자인 하는 방법론에 대하여 보고하였으며, 모든 소재가 스트레처블한 스트 레처블 OLED 제작에 성공하였음. 또한, 본 연구에서 사용한 방법론을 통해 기계적 안정성이 매우 우수한 스트레처블 OLED소자를 제작할 수 있음을 확인하였다는 의의가 있음.
○ 또한 단순히 한쪽 방향으로만이 아니라 양쪽 방향 및 3차원 방향으로도 스트레처블 하다는 것을 확인하였기 때문에 모든 방향으로 변형이 가능함을 확인하였음. 또한, 적, 녹, 청색의 스트레처블 OLED소자도 제작할 수 있음을 확인하여 스트레처블 디스플레이의 가능성 또한 확인하였음.
○ 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 기대됨.
그림 설명
(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
그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김진훈 박사후연구원
(그림 2) 스트레처블 OLED의 기계적 성능 및 발광 이미지
A) 스트레처블 OLED의 구조
B) 스트레처블 OLED의 광도-전류밀도-측정 전압 곡선
C) 스트레처블 OLED의 인장 연신율에 따른 성능 변화 그래프
D) 스트레처블 OLED의 일정 연신율에서 반복적인 연신 후의 성능 변화 그래프
E) 스트레처블 OLED의 특정 연신율에서 구동 이미지
그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김진훈 박사후연구원
(그림 3) 스트레처블 OLED의 여러가지 응용
A) 대면적 스트레처블 OLED소자 구동 이미지
B) 스트레처블 OLED를 지름 100 μm 정도의 볼펜 심으로 3차원 변형을 가한 이미지
C) 적, 녹, 청색 발광성 고분자 기반 스트레처블 OLED의 구동 이미지
그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 김진훈 박사후연구원
연구 이야기
<작성 : 연세대학교 김진훈 박사후연구원>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
스트레처블 디스플레이는 개발에 디스플레이 시장에 많은 영향을 미칠 수 있는 차세대 디스플레이 이다. 하지만 기존의 기술들로는 해상도에 한계가 있거나 공정상의 어려움이 있으며, 디스플레이를 위한 스트레처블 소재들은 개발이 진행된 바가 없다는 많은 기술적 문제들이 있었다. 본 연구는 이러한 기술적 한계들을 극복하고자 시작되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
본 연구진은 연구 초기에는 OLED를 구성하는 각각의 소재를 기계적으로 스트레처블 하게 만들기 위한 연구들을 진행하였으며, 모든 소재에 대한 연구가 완료된 후에 위 소재들을 기반으로 스트레처블 OLED 소자를 제작 및 분석하는 연구를 진행하였음.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
기존의 스트레처블 소재 연구들에서는 대부분 스트레처블 트렌지스터 소자 제작을 위한 연구들이 대부분이다. 하지만, OLED와 트렌지스터는 구동 원리상 전하 이동 경로가 다르기 때문에 전혀 다른 메커니즘으로 발광층을 스트레처블하게 디자인해야만 했다. 또한, 발광층 외에 스트레처블 정공 수송층 및 전자 수송층에 대한 연구도 거의 보고된 바가 없기 때문에 모든 소재를 스트레처블하게 디자인해야 하는 어려움이 있었으며 여러 시행착오 끝에 모든 소재를 스트레처블 하게 디자인할수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존에 연구된 스트레처블 디스플레이 소자들은 구조적인 방식을 사용하거나, 스트레처블 소재를 사용하더라도 전극 재료를 스트레처블하게 제작하는 정도에 그쳤다. 하지만, 본 연구에서는 OLED를 구성하는 모든 재료를 스트레처블하게 제작하였다는 점에서 큰 차별점이 있다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
본 연구에서 개발한 스트레처블 OLED가 후속 연구들을 통해 보완되어 실용화된다면, 기존의 플렉서블, 폴더블 디스플레이의 한계를 뛰어넘는 궁극의 폼팩터를 갖는 디스플레이 개발이 가능함. 이를 통해 크기를 자유자재로 변형할 수 있는 스마트폰, 3차원 변형이 가능한 디스플레이, 인체 피부나 장기 등에 부착되어 생체 신호를 읽어낼 수 있는 센서 등에 활용 가능할 것임. 향후 실용화를 위해서는 효율 및 성능 증가를 위한 소재의 개발, 소자의 신뢰성 향상을 위한 연구 및 스트레처블 봉지재의 개발 등의 후속 연구가 필요함.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
이번 연구에서 개발한 스트레처블 OLED의 소재를 개선하여, OLED소자의 안정성과 효율을 크게 높여 상용화 수준에 근접하는 스트레처블 OLED 소자를 개발하고 싶다. 또한, 잉크젯 프린팅이나 슬롯 다이 코팅을 통해 소재를 제작하는 공정을 개발하여 대량 생산의 가능성을 입증하고자 한다.