- 광효율 73% 향상, 웨어러블 디스플레이와 전자약 등 활용 기대 -
빨아서 쓸 수 있는 OLED 전자섬유 기술이 개발됐다. 비가 오거나 햇빛이 뜨거운 날씨에도 높은 광효율을 유지해 야외환경에서 착용할 수 있는 디스플레이, 전자약 등에 활용될 것으로 기대된다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 충북대 반도체공학부 권정현 교수, 가천대 의공학과 전용민 교수, 서울대 물리천문학부 전헌수 교수 공동연구팀이 가혹한 환경에서도 신뢰성을 유지하면서, 73% 이상 광 추출 효과가 있는 섬유기반 웨어러블 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다고 밝혔다.
섬유기반 웨어러블 OLED 기술은 디스플레이, 패션, 헬스케어 등 다양한 분야에 적용이 가능해 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 야외에서 사용하기에는 광효율이 낮은데다 고온, 강한 자외선 등에 매우 민감해 발광 특성을 잃기 쉽다. 수분에도 취약해 세탁할 수 없는 점 등이 실용화의 큰 장벽이었다.
연구팀은 고성능, 고신뢰성 섬유기반 웨어러블 OLED를 구현하기 위해 다기능성 봉지막* 핵심 기술을 개발했다. * 봉지막(Encapsulation): 봉지 공정은 OLED 제조 과정에서 산소와 수분이 유기물에 침투하지 못하도록 밀봉해 제품의 수명을 향상시키는 단계이다. 봉지막은 증착 단계가 끝난 패널에 박막 봉지 소재를 얇게 입히는 것으로 일반 봉지 공정과는 달리 무기막/유기막으로 이루어진 여러 개의 층으로 구성되어 있다.
먼저 OLED 소자가 방출하는 빛을 효과적으로 추출하기 위한 광추출기판을 만들었다. 이온빔 처리를 통해 얻은 거친 표면에 수용성 층을 코팅하여 우수한 균일성과 쉬운 전력 제어로 표면의 초소수성(물에 젖지 않는 성질. 표면을 건조하고 깨끗하게 유지할 수 있다)을 달성했다. 해당 기판 위에는 나노층화 기반 분산 브래그 반사경*과 기능성 폴리머를 기반으로 다중 장벽 필름을 제작, 가스확산장벽(두 개의 다른 금속이 적층되었을 때 서로 손상을 방지하는 장벽)과 자외선 필터 역할을 동시에 부여했다.
*나노층화 기반 분산 브래그 반사경(n-DBR): DBR은 서로 다른 굴절률을 가지는 두 개의 물질이 반복 적층된 다층 구조로, n-DBR은 각 층이 나노 단위로 얇게 적층된 것을 뜻한다.
이번 연구의 다기능성 봉지막 기술 성능은 수증기 투과율이 일반 OLED 패널에 요구되는 고성능(10-6 g/m-2/day)을 충족했고, 자외선 투과율은 3% 미만을 달성했다. 또한 개발한 섬유기반 OLED의 특성 및 수명을 종합적으로 평가했을 때 광효율은 73%, 수명은 4배 이상 증가했다.
공동 제1저자인 전용민 교수, 이태윤 박사는 “실제 상용화 가능한 수준의 섬유기반 웨어러블 OLED 성능 및 신뢰성을 확보했다”며, “다양한 유기소자들에도 적용 가능한 원천 기술이기 때문에 섬유기반 유기전자약 유기태양전지, 유기광센서 등 다양한 분야에도 활용 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료 및 응용 분야의 대표 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 2023년 12월 29일 게재되었다.
(그림1) 다기능성 봉지막이 포함된 섬유기반 OLED 구조
그림1) Spiky 구조 기반으로 가스확산장벽, 광 추출, UV 차단, 세탁 신뢰성 등 다기능성 봉지막이 포함된 섬유기반 OLED의 구조
(그림2) 기능성 봉지막이 포함된 섬유기반 OLED의 성능 및 신뢰성
(a) 다기능성 봉지막의 UV 차단 효과 (b) 기능성 봉지막이 포함된 섬유기반 OLED의 효율 향상 효과(72.6%) (c) 섬유기반 OLED의 수분 세탁 신뢰성 (d) 섬유기반 OLED의 기계적 신뢰성 평가
[그림설명 및 그림제공: 가천대학교 전용민 교수]
