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■ 연구성과

재료공학부 이태우 교수 연구팀, ‘영화처럼 화면 자유자재로’ 스트레쳐블 디스플레이 개발
2020.08.02

- 페로브스카이트 나노결정 적용한 색변환층 사용해 개발

- 수분에 의한 페로브스카이트 나노결정 표면 결함 패시베이션 원리 규명

 

SF 영화 속에 등장하는 자유자재로 휘거나 접히고 피부에 부착해 사용할 수도 있는 스트레쳐블 디스플레이의 개발이 한 걸음 가까워질 전망이다.

 

재료공학부 이태우 교수 연구팀이 페로브스카이트 나노결정을 적용한 신축성 색 변환 층을 개발하여 성공적으로 스트레쳐블 디스플레이에 적용했다고 29일 밝혔다. 이번 연구로 차세대 스트레쳐블 발광소자 개발을 앞당길 수 있게 됐다.

 

최근 유연 소재 및 용액 공정기술의 발전으로 웨어러블 소자의 개발이 가능해졌다. 이 기술에서는 피부에 부착한 센서를 통해서 인체의 생리학적 데이터를 지속적으로 모니터링하는 것이 가장 중요하다. 웨어러블 소자의 기본 요소 중 하나는 센서의 신호를 시각화 할 수 있는 스트레쳐블 디스플레이다. 웨어러블 소자 개발 초기에는 모든 장치가 케이블로 연결되어 있고 소자 부피가 커서 휴대성이 떨어지는 문제가 있었지만 스트레쳐블 디스플레이는 신축성을 가지고 있으므로 피부에 부착할 수 있으며 센서에서 출력된 신호를 편리하게 실시간으로 확인 할 수 있다.

 

신축성 발광 소자를 제작하기 위해서는 발광 폴리머 및 양자점을 비롯한 발광체를 사용할 수 있지만 이와 같은 물질은 수분 및 산소에 의한 열화 문제를 갖고 있다. 열화는 유기 혹은 무기 반도체 물질이 공기 중에 노출되어 공기 중 수분 및 산소와 반응하는 것을 말하는데 이렇게 되면 원래의 특성을 유지할 수 없게 된다. 발광 소자인 경우 소자에서 나오는 빛이 약해지고 완전히 죽은 경우에는 까맣게 변하는 부분이 생긴다.

 

현재 스트레쳐블 발광소자는 연신(길이 방향을 따라 소자를 늘리는 것) 동안 공기 중 열화를 피하기 위해 우수한 스트레쳐블 봉지막이 필요하며 봉지막 물질 개발을 통한 새로운 돌파구가 필요한 상황이다.

 

위 문제를 해결하기 위해서 이태우 교수 연구팀은 공기 중에서 안정적이고 신축성이 있는 페로브스카이트 나노결정 색 변환 층을 개발하여 발광 소자와 결합해서 스트레쳐블 디스플레이를 구현했다.

 

페로브스카이트는 가격, 양자 효율 및 색순도 등 여러 측면에서 기존 유기 및 무기 발광체보다 우수하여 최근 몇 년 사이 많은 연구가 이루어졌다. 하지만 페로브스카이트 나노결정은 수분 및 산소에 의해 빠르게 열화되기 때문에 이 교수 연구팀은 SEBS(styrene-ethylene-butylene-styrene) 폴리머 매트릭스를 이용하여 나노결정을 감싸줌으로써 나노결정의 화학적 안정성뿐만 아니라 기계적 신축성까지 향상시켜 스트레쳐블 색 변환층으로 적용할 수 있게 했다.

 

특히 본 스트레쳐블 색 변환 층을 2개월 넘게 물에 담가 두었을 때 광루미네선스가 지속적으로 증가하는 현상을 발견했는데, 이는 수분에 의한 결함 패시베이션임을 최초로 밝혀낸 것이다. 패시베이션은 물질의 표면 결함을 없애 광루미네선스의 발광 효율을 높인다. 이 연구에서는 수분의 양을 컨트롤함으로 표면 결험 패시베이션이 가능한 것을 발견하고 그 원리를 밝혀 더욱 가치가 높다.

 

연구팀은 또한 페보르스카이트 나노결정을 적용한 스트레쳐블 색 변환층을 이용하여 발광소자와 결합해서 화이트 색상을 구현했으며 해당 스트레쳐블 디스플레이는 180%, 즉 1.8배까지 연신 가능하다는 것을 발표했다.

 

논문의 교신 저자인 이태우 교수는 “페로브스카이트 나노결정을 사용한 스트레쳐블 색 변환층은 페보르스카이트 관련 이론적 측면 연구에 대해 상당한 자극이 될 것이며 나아가 학계와 산업계의 실질적인 적용에까지 영향을 미칠 것” 이라며, “이 방법으로 스트레쳐블 올레드 개발에 새로운 방향을 제시할 것”이라고 연구의 의의를 설명했다.

 

스트레쳐블 디스플레이의 3D 도식.

(좌)웨어러블 센서의 신호를 시각화하기 위한 스트레쳐블 디스플레이의 개념적 적용 3D 도식. 스트레쳐블 발광 소자와 통합된 스트레쳐블 색변환 층을 사용하는 스트레쳐블 디스플레이의 3D 도식.

 

 

본 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적으로 저명한 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’에 7월 26일자로 온라인 게재되었다.

 

 

[논문 링크]

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202001989

 

 

[문의사항]

서울대학교 공과대학 재료공학부 / 02-880-8021 / 010-2257-3677 / twlees@snu.ac.kr

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