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고려대학교 세종캠퍼스(부총장 김영) 류승윤 교수 연구팀(디스플레이·반도체물리학부)은 얇은 광경화성필름(NOA63)에 나노입자(SiO2 NPs)를 도핑하여 탄성중합체필름(3M elastomer)에 전사하는 방법으로 경제성, 효율성을 향상시킨 스트레처블 유기발광다이오드(Stretchable OLED)를 개발했다.
이번 연구 결과는 ‘Highly Efficient, Heat Dissipating, Stretchable Organic Light-Emitting Diodes Based on a MoO3/Au/MoO3 Electrode with Encapsulation’라는 제목으로 네이처지의 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈에 등재되었다.
우선 연구팀은 기존 반투명전극의 다양한 문제를 해결하기 위해 OMO (oxide/metal/oxide) 전극인 MoO3/Au/MoO3 전극을 광경화성필름 위에 사용하여 기존 Ag 전극보다 광학적 투과율 특성을 높였다. 이후 광경화성필름에 나노입자를 삽입하여 광산란에 의한 광추출 효율, 열방출 특성을 높여 고효율성 소자를 제작하였다.
연구팀은 사용한 기탄성중합체보다 얇고 신축성이 강한 탄성중합체를 사용한다면, 연신성이 뛰어나면서도 신속한 열 방출 효과를 보일 수 있을 것으로 전망했다.
이후 연구팀은 OLED에서 고휘도에서 삼중항-삼중항 소멸, 삼중항-편향자 소멸로 인해 열에너지가 발생해 소자 성능을 감소시키고, 열 전도층을 별도로 장착시키는 문제에 집중했다. 연구팀은 이 문제를 해결하고자 얇은 탄성중합체와 상대적으로 열 전도성이 높은 나노입자를 기판으로 사용하였으며, 그 결과 열의 효과적 방출로 소자 효율 감소에 대해 억제가 가능한 것을 확인했다.
또한, 스트레처블 OLED에서 주로 사용되는 Ag에 의한 미세공진효과에 의한 투과도 및 색 변화 문제를 해결하고자 투과도가 훨씬 높은 OMO 전극 구조인 MoO3/Au/MoO3를 사용해 투과도를 높이고 색 변화를 억제함과 동시에 산화물의 단점인 크랙(crack) 현상을 Au로 방지하여 안정성을 확보하였다.
또한, 연구팀은 “스트레처블 플랫폼에 효과적으로 적용하기 위해 질화규소(SiNx)로 코팅한 광경화성필름을 부착하는 봉지공정(encapsulation)을 사용해 샌드위치 구조의 스트레처블 OLED를 구현했다.”라고 설명했다. 이어 “동시에 Perfect Form Factor를 가지는 소자를 제작하면서, 플렉서블, 폴더블 디스플레이 뿐 아니라 웨어러블 기기나 자동차에 적용하는 데에 도움이 될 것”이라고 전했다.
류승윤 교수는 “이번 연구를 통해 차후 다른 금속 산화물 나노 입자를 응용함으로써 신속한 열방출 또는 많은 양의 광추출이 가능할 것으로 보고 있다”라고 설명했다. 이어 “물리적인 변형이 어려운 기존의 디스플레이 이후에 플렉서블, 폴더블 디스플레이가 점차 나오면서 스마트폰, TV, 등 점차 넓은 분야에 사용되고 있어 스트레쳐블 기술을 제시한다 점에서 의의가 있다”라고 설명했다.
공동연구를 수행한 한국재료연구원(원장 이정환)의 김창수 박사는 “고려대학교 류승윤 교수 연구팀과의 협업를 통해 큰 연구 성과를 확보할 수 있었다.”라며 “스트레처블 전극소재 기술을 다양한 플랫폼으로 확장 및 발전시킬 계획”이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 아래와 같은 지원을 받아 수행됐다.
▶이 연구는 2021년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT)의 소재부품산업미래성장동력사업 연구비 지원에 의한 연구임. (10079974, 스트레처블 디스플레이를 위한 20%이상 신축성을 갖는 백플레인, 발광화소용 소재ㆍ소자ㆍ공정 원천 기술 개발)
▶이 연구는 교육부의 한국 연구 재단 (NRF) 기초 과학 연구 프로그램 연구비 지원에 의한 연구임. (2020R1A2B5B01001580, 광전소자의 효율을 증폭시키는 신소재(아민기)를 포함한 항생제의 쌍극자 간 상호작용에 관한 연구 & 2014R1A6A1030732, 탄소재활용 광전자신소재개발)
▶이 연구는 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT)의 한국 에너지 기술 평가원 (KETEP)으로부터 “에너지 기술 인력 지원 사업” 연구비 지원에 의한 연구임. (No. 20204030200070, 차세대 응용 태양전지 융복합기술 고급트랙)
▶본 논문은 교육부 및 한국연구재단의 4단계 두뇌한국21 사업(4단계 BK21 사업)으로 지원된 연구임.
▶이번 연구는 한국재료연구원의 일반사업 지원에 의한 연구임.
