기둥구조가 있는 유연기판과 패턴된 단단한 기판이 결합된 형태의 기판 설명도 및 실제 기판 사진

최근 사물인터넷 및 웨어러블 기기 수요가 급증함에 따라 스트레처블 또는 웨어러블 소자 및 기기들에 대한 관심이 높아진 가운데 유연성과 신축성을 갖는 새로운 스트레처블 디스플레이(Stretchable Display) 기술이 개발됐다.

KAIST 전기및전자공학부 최경철 교수

KAIST 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 높은 신축성을 갖는 유연한 기둥과 멤브레인 형태가 결합한 새로운 스트레처블 기판을 개발했다. 이 기술을 활용해 연구팀은 스트레처블 OLED(유기발광다이오드)를 만드는 데 성공했다.

단단하지만 패턴을 통한 구조적으로 신축성 있는 기판을 개발하고, 그 위에 유기발광소자 (OLED)를 형성한 후 스트레처블 디스플레이를 완성한 것이다.

최경철 교수는 “제작된 스트레처블 기판을 활용하면 스트레처블 OLED, 마이크로LED, 센서 등이 구현 가능하며, 바이오 및 의료 분야와 결합한 다양한 치료 분야에 적용할 수 있다”라고 설명했다.

스트레처블 디스플레이 (Stretchable Display) : 화면이 탄력적으로 늘어나는 차세대 디스플레이로 기존 플렉시블 OLED는 화면을 구부리거나 접는 등 한 방향으로만 변형할 수 있었지만 늘어나는 OLED는 두 방향 이상으로 변형이 가능한 디스플레이다.

스트레처블 디스플레이 기술은 한 방향으로 구부리거나 접는 기존의 플렉서블 OLED 디스플레이의 기술을 뛰어넘어 두 방향 이상으로 변환할 수 있다. 이에 따라 웨어러블, 사물인터넷, 인공지능, 차량용 디스플레이에 적합한 차세대 디스플레이 기술로 주목받고 있다.

유기 발광 다이오드(OLED) : 소자 자체가 스스로 빛을 내는 자체 발광 디스플레이로 수백 나노 두께로 휘고 접히는 플렉시블 및 웨어러블 디스플레이에 응용이 가능한 디스플레이.

최근 자유롭게 늘어날 수 있도록 OLED 소자와 디스플레이에 신축성을 주는 방법이 연구돼왔다. 하지만 모든 재료를 신축성 있는 재료로 바꾸는 방식은 효율이 낮아 상용화가 어렵고 패턴을 형성하기 어렵다는 한계가 있다. 기판을 먼저 늘리고 난 뒤 다시 원래대로 복원해 얇은 주름을 형성하는 방식의 스트레처블 OLED는 효율이 높고 안정적이지만 주름의 형태가 일정하지 않고 신축에 따른 화면의 왜곡이 있다.

최 교수 연구팀은 높은 휘도와 신축성을 가지는 디스플레이 구현을 위해, 단단하게 패턴화된 기판과 신축시 기판에 가해지는 힘이 최소화할 수 있는 기둥구조가 형성된 유연 기판의 결합을 통해 새로운 형태의 핵심 부품 기술인 스트레처블 기판을 개발했다.

연구팀은 개발된 스트레처블 구조 기판과 기존 공정을 그대로 활용해 신축성 있는 OLED 디스플레이를 구현했다. 기존 공정을 그대로 활용하더라도 새로운 스트레처블 기판 부품 기술을 활용하면 스트레처블 디스플레이를 구현할 수 있다는 것을 증명했다. 이는 기존의 스트레처블 디스플레이 기술이 기존 공정을 활용할 수 없다는 단점을 극복한 것이다.

신축성 유기발광다이오드의 신축에 따른 휘도-전류 특성 및 제작된 다양한 스펙트럼을 가지는 신축 유기발광다이오드

개발된 신축성 OLED 디스플레이는 실제 소자에 걸리는 기계적 스트레스가 거의 없어, 화면의 왜곡이나 급격한 휘도(Luminance: 단위 면적당 밝기의 정도) 변화 없이 안정적인 소자 구동이 가능하다. 또한, 발광 빛의 각도 의존성이 없어 다양한 스트레처블 디스플레이 응용 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

기계적 스트레스 (Mechnical Stress): 물체 내의 임의의 면을 경계로 하여 양쪽 부분이 면에 수직으로 서로 끌어당기는 기계적인 힘.

남민우 연구원은 “새로운 물질의 개발이 아닌 상용화된 공정 및 물질을 사용해 새로운 스트레처블 기판 위에 OLED 디스플레이를 구현했다”라고 말했다.

임명섭 박사와 남민우 박사과정 주도한 이번 연구는 나노 분야 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월 28일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Two-dimensionally stretchable organic light-emitting diode with elastic pillar arrays for stress-relief)

조규남    namnam1124@naver.com​