2차원 반도체 소자 활용한 능동방식 ‘풀컬러’ 플렉서블 OLED 개발

웨어러블 전자제품 등 미래 디스플레이 상용화에 성큼 다가서,
고려대 김수영 교수팀, 연세대 안종현 교수팀 공동연구결과
세계적 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재

고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 김수영 교수 연구팀과 연세대학교 전기전자공학부 안종현 교수 연구팀이 공동연구를 통해 피부와 옷 등에 부착 가능한 미래형 디스플레이 상용화에 성큼 다가섰다.

공동 연구팀은 2차원 반도체 소자를 사용해 상대적으로 성능이 뛰어난 초박막 플라스틱 기판에 박막 트랜지스터와 논리회로를 접목하여 피부와 옷 등에 자유롭게 부착할 수 있는 풀컬러(Full-color) 플렉서블(flexible) 능동방식 유기발광다이오드(OLED) 제작에 성공했다.

플렉서블 디스플레이 중에서 2차원 반도체 소자를 이용한 능동방식의 ‘풀컬러’ 유기발광다이오드(OLED) 제작에 성공한 것은 세계 최초이다.

이번 연구 결과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구 지원사업(기초연구실, 리더연구)의 지원으로 수행됐으며 세계적 학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)의 7월 9일 새벽(미국동부시간 기준 8일 오후) 온라인판에 게재됐다.
* 논문명 : Full color active-matrix organic-light emitting diode display on human skin based on a large area MoS2 backplane * 논문저자 : 최민우 박사(제1저자, 연세대 졸), 배사랑 고려대 박사과정(제1저자), Luhing Hu 연세대 박사과정(공동저자), Anh Tuan Hoang 연세대 박사과정(공동저자), 김수영 고려대 신소재공학부 교수(교신저자), 안종현 연세대 전기전자공학부 교수(교신저자)

MoS2, WS2, MoSe2,WSe2 등 2차원 반도체 소재는 웨어러블 전자제품의 백플레인 회로에 사용하기에 적합한 독특한 전기적, 기계적 특성을 가지고 있으며, 그 중 MoS2는 웨어러블 애플리케이션에서 스위칭 디바이스로 제작되어왔다.

MoS2 필름과 트랜지스터 어레이는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)를 사용하여 SiO2/Si 웨이퍼에 직접 제작되었으며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판을 ALD(atomic layer deposition)방식을 통해 Al2O3를 코팅했다.

트랜지스터 장치 구조는 접점 및 채널 영역의 n-도핑효과로 인한 금속 접촉 및 캐리어 이동성 향상을 위해 ALD 방식을 통한 Al2O3로 캡슐화되어서 제작됐다.

높은 캐리어 이동성(>18 cm2V-1s-1) 및 ON/OFF 비율(>107)이 관찰됐으며, RGB OLED 픽셀의 광 방출은 4~9V의 gate voltage를 적용하여 제어됐다. 2D 반도체 재료와 OLED를 결합한 플라스틱 기판을 이용한 직접 제작으로 전기, 광학, 기계적 성능이 우수했다.

또한, MoS2 트랜지스터와 연결된 RGB OLED 픽셀은 데이터와 스캔 라인에 연결됐고 전체 디스플레이 회로는 능동방식으로 작동했다. 트랜지스터의 게이트 신호에 따라 픽셀 전류를 정밀하게 제어하여 OLED의 밝기를 변화시켰고, 초박막 디스플레이의 기계적 특성 덕분에 기기 성능 저하 없이 캐리어 유리기판에서 분리하여 작동시킬 수 있었다.

이번 연구의 교신저자인 신소재공학부 김수영 교수는 “이번 연구는 기존의 풀컬러 디스플레이가 가지고 있던 색 표현력을 유지하면서도 옷 등에 부착할 수 있도록 구부러짐에 적합하도록 성능을 향상했다는 점에서 의미가 있다”라면서 “향후 미래형 웨어러블 디스플레이 상용화의 시점을 더욱 앞당길 것”이라고 평가했다.

*용어 설명
- MoS2 : MoS2는 이황화 몰리브덴으로 몰리브덴(Molybdenum) 과 황(Sulfur)로 구성되어있다. 전이 금속 디칼코제나이드이며 모든 형태의 MoS2는 층을 이룬 구조를 가지고 있는데, 이 구조에서 몰리브덴 원자의 평면이 황화 이온의 평면에 의해 샌드위치된다. 이 세 개의 층은 MoS2의 단층형이며, Bulk MoS2는 취약한 판 데르 발 상호 작용에 의해 함께 고정되는 쌓인 모노레이어로 구성된다.
- 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) : 박막 트랜지스터(TFT)는 반도체로 이루어진 전자회로 구성요소로 전류의 흐름을 조절하는 밸브 역할을 한다. 박막트랜지스터는 얇은 필름 형태인 박막을 이용하여 만든 트랜지스터이며, 디스플레이에서 TFT는 디스플레이의 화면을 구성하는 각각의 픽셀의 밝기를 조절하는 역할을 한다.
-능동방식(Active Matrix) : 능동방식은 픽셀 각각에 반도체 소자인 TFT와 전극이 있어, 픽셀 하나하나를 개별적으로 직접 구동(On, Off)시킬 수 있는 방식을 말한다. 그렇기 때문에 대부분의 LCD나 OLED는 능동방식을 이용한다.

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