대전=정일웅기자
고무줄처럼 늘려도 선명함(밝기)이 유지되는 신축성 유기발광다이오드(OLED)가 개발됐다. 크기를 늘리면 어두워지던 기존 디스플레이의 한계를 넘어선 것으로 반복적 신축환경에서도 성능 안정성이 입증돼 상용화 가능성도 커졌다는 평가다.
KAIST는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 미국 시카고대, 중국 쑤저우대와 공동으로 크기를 늘려도 전기가 끊기지 않는 새로운 전극 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
(앞줄 왼쪽부터) 조힘찬 교수, 이원범 박사과정, (뒷줄 왼쪽부터) 이재준 석사과정, 신승민 박사과정, 장재동 박사, (왼쪽 박스 위부터) 스홍 왕(Sihong Wang) 교수, 웨이 리우(Wei Liu) 교수. KAIST
전극은 OLED가 빛을 낼 수 있도록 전기를 공급하는 데 필요한 핵심 부품이다. 기존 신축성 OLED에서의 음극은 효율적인 전자 공급과 우수한 기계적 신축성을 동시에 만족하기 어려웠다.
하지만 공동연구팀은 '하이브리드 액체 금속 음극(전자를 공급하는 전극)'을 적용해 성능 저하 없는 차세대 신축성 OLED를 구현해 상용화 가능성을 높였다.
해결책은 '액체 금속'이다. 공동연구팀은 액체 금속 입자를 촘촘히 쌓은 후 표면에 있는 입자만 터뜨려 하나로 이어진 매끄러운 금속층을 만들었다.
아래에는 여전히 작은 입자층이 남아 전기는 위의 금속층을 따라 안정적으로 흐르고, 아래층은 고무처럼 늘어날 때 충격을 흡수하는 구조다. 이를 통해 금속처럼 전기는 잘 통하면서도 고무처럼 자유롭게 늘어나는 전극이 완성됐다. 화면을 늘려도 밝기가 줄어들지 않는 이유다.
이 기술을 적용한 신축성 OLED는 3.0V(볼트)의 낮은 전압에서도 빛이 켜졌으며 9.5V로 구동했을 때는 최대 1만7670cd/m²의 높은 밝기를 기록했다. cd/m²는 화면이 얼마나 밝게 보이는지를 나타내는 국제표준 단위로 숫자가 클수록 보다 밝아지는 것을 의미한다.
공동연구팀이 9.5V에서 구동한 밝기는 일반 스마트폰 디스플레이의 최대 밝기를 넘어선 수준으로 투입된 전류 대비 빛이 얼마나 나오는지를 나타내는 '전류 효율' 역시 기존에 보고됐던 신축성 OLED 중 세계 최고 수준(10.35cd/A)이다. 같은 전류로 보다 밝은 빛을 낼 수 있다는 의미다.
기존 신축성 OLED는 화면을 늘리면 전극이 손상돼 밝기가 감소하는 문제도 보였다. 하지만 공동연구팀이 개발한 기술은 신축 상태에서도 초기 밝기를 유지했다. 기존 기술의 가장 큰 약점으로 지적된 '신축 시 밝기 저하' 문제를 개선한 것이다.
AI 생성 이미지. KAIST
특히 여러 차례 반복해 늘리고 줄이는 실험에서도 밝기와 전기적 성능은 안정적으로 유지됐다. 이는 옷처럼 입거나 피부에 부착해 움직이는 상황에서도 고장 없이 사용할 수 있음을 의미해 상용화에 중요한 내구성까지 확보했다는 평가를 받는다.
이번 기술은 웨어러블 디스플레이를 포함해 소프트 로봇, 전자 피부, 체내 삽입형 의료기기 등 차세대 유연 전자기기 분야 전반에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
조 교수는 "이번 연구로 전극 소재의 근본적인 문제를 해결해 신축성 디스플레이의 성능 제한을 해소할 수 있게 됐다"며 "하이브리드 액체 금속 음극 기술은 차세대 유연 전자소자의 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이원범 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과(논문)는 최근 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 게재되는 동시에 해당 학술지의 인사이드 백 커버(Inside Back Cover) 논문으로도 선정됐다.