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서울대 재료공학부 이태우 교수팀, 피부에 부착 사용하는 스트레쳐블 디스플레이 개발

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남정현 기자
기사입력 2020-07-31

 

▲ 서울대 재료공학부 이태우 교수  © 남정현 기자


[참교육신문 남정현 기자] SF 영화 속에나 등장하는 자유자재로 휘거나 접히고 피부에 부착해 사용할 수도 있는 스트레쳐블 디스플레이(stretchable display)의 개발이 한 걸음 가까워질 전망이다.

 

서울대 재료공학부 이태우 교수팀이 페로브스카이트 나노결정을 적용한 신축성 색 변환 층을 개발해 스트레쳐블 디스플레이에 적용했다고 729일 밝혔다. 이번 연구로 차세대 스트레쳐블 발광소자 개발을 앞당길 수 있게 됐다.

 

최근 유연 소재 및 용액 공정기술의 발전으로 웨어러블 소자의 개발이 가능해졌다. 이 기술은 피부에 부착한 센서를 통해서 인체의 생리학적 데이터를 지속적으로 모니터링하는 것이다. 웨어러블 소자의 기본 요소 중 하나는 센서의 신호를 시각화할 수 있는 스트레쳐블 디스플레이다.

 

웨어러블 소자 개발 초기에는 모든 장치가 케이블로 연결되어 있고 소자 부피가 커서 휴대성이 떨어지는 문제가 있었지만 스트레쳐블 디스플레이는 신축성을 가지고 있어 피부에 부착할 수 있으며 센서에서 출력된 신호를 편리하게 실시간으로 확인할 수 있다.

 

신축성 발광 소자를 제작하기 위해서는 발광 폴리머 및 양자점을 비롯한 발광체를 사용할 수 있지만, 이 같은 물질은 수분 및 산소에 의한 열화 문제를 갖고 있었다. 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.

 

이 문제를 해결하기 위해서 이태우 교수팀은 공기 중에서 안정적이고 신축성이 있는 페로브스카이트 나노결정 색 변환 층을 개발해 발광 소자와 결합해서 스트레쳐블 디스플레이를 구현했다.

 

페로브스카이트는 가격, 양자 효율 및 색 순도 등 여러 측면에서 기존 유기 및 무기 발광체보다 우수해 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 이용해 나노결정을 감싸줌으로써 나노결정의 화학적 안정성뿐만 아니라 기계적 신축성까지 향상시켜 스트레쳐블 색 변환 층으로 적용할 수 있게 했다.

 

특히 이 스트레쳐블 색 변환 층을 2달 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 컨트롤함으로써 표면 결함 패시베이션이 가능하다는 것을 발견하고 그 원리를 밝혀 그 가치가 더 높다.

 

연구팀은 또한 페보르스카이트 나노결정을 적용한 스트레쳐블 색 변환층을 이용해 발광소자와 결합해서 화이트 색상을 구현했으며 해당 스트레쳐블 디스플레이는 180%, 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 실질적 적용까지 영향을 미칠 것이라며 이 방법으로 스트레쳐블 올레드 개발에 새로운 방향을 제시할 것이라고 연구 의의를 밝혔다.

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