국내 연구진이 차세대 유연 신축성 디스플레이에 적용할 수 있는 인쇄 공정 기반 투명 전극 패터닝 기술과 이를 활용한 주름 구조 기반의 신축성 유기 발광 소자의 화질 개선 기술을 개발했다.
서울대 공대(학장 차국헌)는 전기·정보공학부 홍용택 교수 연구진(박종장, 김건희, 정수진 연구원)이 인쇄 공정 기반의 유연 신축성 발광 소자 구현을 위한 두 가지 핵심 기술을 개발했다고 9월 28일 밝혔다.
유연 신축성 디스플레이 응용을 위한 차세대 투명 전극 소재로 각광받는 은 나노와이어는 미세 패턴 형성 공정의 복잡도와 높은 단가, 낮은 접착도 등 기술적인 장벽이 있었다. 특히 용액공정에서 쉽게 성능이 저하되는 유기물층 상부에 직접 은 나노와이어 투명 전극을 형성하는 기술은 난제로 여겨졌다.
이에 연구진은 기존에 보고했던 PEDOT:PSS(전도성 고분자) 기반의 투명 전도성 유기 전극 형성 공정을 크게 개선했다. 잉크젯 프린팅으로 패터닝한 PEDOT:PSS 전극 템플레이트를 활용하여 유기물, 플라스틱, 유리 등 다양한 표면에 은 나노와이어 전극 패턴을 전사하는 기술을 개발한 것이다.
인쇄한 템플레이트의 폭에 따라 수 마이크로미터 폭까지의 은 나노와이어 미세 패턴을 형성할 수 있으며 전사되는 은 나노와이어의 양을 조절함으로써 전극의 투명도를 동시에 조절할 수 있다.
또한 PEDOT:PSS 전극에 나노와이어가 파묻힌 형태로 전사되어 다양한 표면과의 접착도 역시 크게 향상되는 결과를 얻었다. 이 기술을 통해 연구진은 투명 터치스크린 패널, 유연 무기발광소자 어레이, 전 용액공정 기반 유기 발광 다이오드를 제작하여 다양한 적용 가능성을 보였다.
더불어 신축성 유기발광소자 개발을 위해 발광 영역 내에 물리적인 주름 구조를 넣어 늘어나도 발광 특성이 저하되지 않는 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 폴리이미드 바니시와 같은 수 마이크로미터 두께의 필름 위에 발광 소자를 만든 후, 신축성 기판 위에 전사하여 주름 구조를 형성하는 기술을 많이 적용하고 있다.
이 경우 수백 마이크로미터 크기의 매크로 주름 구조로 인해 기계적 신축 특성은 향상되지만 동시에 화질의 왜곡과 품질 저하를 유발할 수 있다. 이에 연구진은 신축성 기판 위에 직접 잉크젯 프린팅 공정으로 투명 전도성 PEDOT:PSS 유기 전극을 형성해 주름 구조를 사람이 인지하지 못할 정도인 20마이크로미터 이하 크기로 감소 시켜 화질 저하 없이 소자의 광전기적, 기계적 특성을 그대로 유지하는 인쇄 공정 기술을 개발했다. 제작된 미세 주름 구조의 유기발광소자는 2축으로 각각 120% 신축 아래서도 성능 변화 없이 동작했다.
연구진이 개발한 기술은 전극의 패턴을 잉크젯 프린팅 방식으로 형성하기 때문에 기존 방식 대비 공정 속도가 빠르고 비용이 절감되며 전도성 유기 전극의 장점을 살리면서 은 나노와이어를 통해 한계를 극복할 수 있다는 장점이 있다.
홍용택 교수는 “현재 두 연구 결과의 융합을 통해 저비용 전극 패턴 방식을 활용한 왜곡 없는 고성능의 고해상도 신축성 디스플레이 응용을 위한 유기발광소자 구현 기술을 연구하고 있으며 프린팅 기술을 이용하여 다양한 두께와 모양의 유연 신축성 은 나노와이어 전극을 미세 패턴으로 쉽게 형성할 수 있어 향후 신체 부착형 웨어러블 기술에의 활용성도 높을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이 연구 결과들은 국제 저명 학술지인 <어드밴스드 머티리얼즈 테크놀로지(Advanced Materials Technologies)>에 각각 6월호와 9월호 내부 뒤 표지 논문(Inside back cover paper)으로 발표됐다.
이번 연구는 산업통상자원부와 한국디스플레이연구조합 지원 사업인 ‘미래 디스플레이를 위한 소재 및 소자 핵심 기술 개발 사업’의 연구 결과로 수행됐으며 삼성디스플레이의 지원을 받아 진행됐다.
