화학공학과 오진영 교수, 정보전자신소재공학과 강성준 교수가 차세대 디스플레이 폼팩터인 스트레쳐블 디스플레이 개발에 필요한 원천기술을 확보했다.

화학공학과 오진영 교수, 정보전자신소재공학과 강성준 교수 공동연구 진행
빛의 3원색 발광·신축성 가진 발광 소재 개발

화학공학과 오진영 교수와 정보전자신소재공학과 강성준 교수가 스트레쳐블 디스플레이의 발광 소재를 개발해 차세대 디스플레이 원천소재 기술을 확보했다. 스트레쳐블 디스플레이는 폴더블 디스플레이 다음 폼팩터로 주목받고 있는데 이번 연구로 중요한 기술적 개선을 이뤘다. 스트레쳐블 디스플레이가 본격적으로 개발되기 위해선 신축성 있는 발광 반도체 소재가 요구되기 때문이다. 이번 연구 결과는 세계적인 학술지 <Science Advances (IF 14.980)>에 6월 22일(목) 게재됐다.

스트레쳐블 디스플레이를 위한 고분자 발광다이오드 소자 (OLED/PLED) 구조 및 신축성 발광 소재의 나노구조 모식도

고분자 발광 반도체와 엘라스토머 분자 단위로 혼합, 고무처럼 늘어나며 발광
과거에는 스트레쳐블한 발광 소재 개발이 제한적이었지만, 최근 고분자 발광다이오드(OLED/PLED) 소재 기술 발전으로 스트레쳐블한 발광 소재가 개발됐다. ‘슈퍼 옐로우’라 불리는 소재였다. 하지만 이 소재는 노란색만을 발광할 수 있어 다양한 빛을 구현하기에 한계가 있고, 극성이 있는 물질과의 혼합이 요구된다는 한계가 있었다. 오진영 교수는 “스트레쳐블 디스플레이를 구현하기 위해선 빛의 3원색인 빨강, 녹색, 파랑(RGB)를 구현하는 발광 소재가 필수적”이라고 강조했다.

스트레처블 디스플레이 활용 소재는 빛의 3원색을 구현하며, 신축성도 있어야 한다. 연구팀은 이러한 요구사항을 충족시킬 발광 소재를 개발하기 위해 빛의 3원색을 구현하는 고분자 발광 반도체와 엘라스토머(고무)를 이용했다. 정민우 학생(화학공학과 박사1기)은 “고분자 발광 반도체와 엘라스토머를 분자 단위로 혼합했다. 혼합한 발광 반도체 소재의 나노구조에 상 분리를 일으켜 고무처럼 늘어날 수 있도록 유도했다”고 설명했다. 이전 연구에서는 고분자 발광 반도체 소재와 엘라스토머 간 혼합이 원활하지 않아 과도한 상 분리가 일어나 발광 반도체 소재의 신축성을 제한했다. 오진영 교수는 “이번 연구에서는 분자 간 혼합이 원활히 일어나도록 유사한 표면에너지와 박막 열처리를 통해 소재가 늘어날 수 있도록 나노구조를 형성했다”고 말했다.

신축성 3원색 빨강, 녹색, 파랑 (RGB) 발광 반도체 소재의 실제 스트레칭 이미지

디스플레이가 요구되는 모든 산업에서 활용 가능, 차세대 디스플레이 소재 원천기술 확보
연구팀이 개발한 소재는 낮은 전압(5v 이하)에서도 1,000cd/m2 이상의 밝기를 유지했고, 1,000번의 신축 테스트 중에도 안정적인 발광 성능을 보였다. 강성준 교수는 “이번 연구는 확장 가능성이 크다. 다양한 발광 소재를 엘라스토머와 혼합한다면 새로운 기능성을 부여할 수 있다. 일례로 무기물 기반 발광 소재를 활용하면 소재적 안정성을 가질 수도 있다. 소재 관련 원천기술을 확보했다는 점에서 큰 의의가 있다”고 강조했다.

개발한 발광 소재는 스트레쳐블 디스플레이 산업 발전에 도약을 불러올 수 있다. 오진영 교수는 “개발한 디스플레이는 다방면으로 활용될 수 있다”고 강조했다. 스트레쳐블 스마트폰을 비롯한 가전제품에 적용되는 것은 물론 로봇, 전자 피부 등 착용 디스플레이 개발과 확장에도 적용돼 디스플레이가 요구되는 모든 산업에서 쓰임이 있다.

연구팀은 자가 치유 소재를 접목해 늘어나면서도 자가 치유되는 소자 연구, 빛을 감지하는 전자 광학 소자 등 소재에 다양한 기능성을 부여하기 위한 연구를 진행하며 차세대 디스플레이 혁신을 위해 매진할 계획이다.

경희대 구성원으로만 구성된 연구팀이 이뤄낸 성취
이번 성과는 경희대 구성원으로만 구성된 연구팀이 이뤄낸 성과라 뜻깊다. 오진영 교수 연구팀은 소재 관련, 강성준 교수 연구팀은 광학소자 관련 연구를 진행해왔는데 두 연구팀이 의기투합해 각 연구팀의 장점을 살려 우수한 성취를 이뤘다. 오진영 교수는 “의미 있는 연구를 도출하기 위해선 다른 분야와의 협업이 필수적인 시대가 됐다. 이번 연구에서는 광학소자를 다루기 위한 재료공학적 지식이 요구됐다. 다행히 강성준 교수님과 공동연구를 진행해 세계적 학술지에 결과가 실려 자랑스러운 마음”이라고 말했다. 강성준 교수는 “경희대 구성원이 모여 좋은 결과를 내 뿌듯하다”고 밝혔다.

이번 연구는 경희대 구성원으로만 구성된 연구팀이 이뤄낸 성과라 뜻깊다. 특히 제1저자인 정민우, 마진현 학생은 학부 연구생 출신으로 대학원까지 진학했다.

또한 논문 제1저자인 정민우, 마진현 학생(정보전자신소재공학과 석사3기)은 학부 연구생 출신이다. 정민우 학생은 “막연히 연구하고 싶다고 생각하다 2학년 때 전공과목을 들으며 관심 분야를 정할 수 있었다. 교수님과의 랩 미팅을 진행한 이후 확신이 들어 학부 연구생으로 진학하게 됐다. 연구를 대하는 교수님의 태도에서 많은 것을 배웠고, 대학원에 진학한 지금도 연구에 흥미를 잃지 않고 연구하고 있다”고 강조했다. 마진현 학생은 “공부할 시간은 정해져 있다고 생각해왔는데 학부 연구생을 경험하며 그 생각이 더 공고해졌다. 학부 연구생에 이어 대학원에 진학하게 됐는데 생각했던 것보다 잘 맞아 재밌게 연구하고 있다”고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단과 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 진행됐다.

※ 관련 정보 보기
- 강성준 교수 연구자 정보
- 강성준 교수 연구실
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글 김율립 yulrip@khu.ac.kr
사진 정병성 pr@khu.ac.kr

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