■ 연구성과

- 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.

▲ (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