[헬로티]

플렉시블 디스플레이 시대가 다양한 기술이 잇달아 개발되며 예상보다 앞당겨질 것으로 보인다. 국내 연구진은 플렉시블 디스플레이 실현의 핵심 기술인 용액기반 산화물 박막 트랜지스터 제조에 성공했고, 차세대 플렉시블 투명 디스플레이용 고성능 투명전극, 손상없이 반복적으로 휘어지면서 우수한 효율을 갖는 플렉시블 유기발광다이오드(OLED) 기술, 저온공정이 가능한 고성능의 박막트랜지스터 및 OLED 등을 개발하면서 플렉시블 디스플레이 시대를 열었다.

투명전극 재료로 인듐주석산화물(Indium tin oxide, ITO)이 가장 많이 사용되고 있으나, 수급 불균형에 따른 비용 증가와 약한 기계적 강도 및 취성(구부리면 깨지는 성질)을 띄는 성질 때문에 이를 대체할 만한 재료에 관한 연구 개발이 현재 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있다. 은 나노와이어(AgNW)가 연성을 띄며 전기전도성이 우수하고 지름이 수 나노미터(nm, 1미터의 10억분의 1) 수준으로 작아 고성능 투명전극 제조를 위한 재료로 적합하여 기존 ITO를 대체할 재료로 최근 주목받아 왔다.

하지만 아직까지 은 나노와이어 기술은 와이어간의 높은 접촉 저항에 따른 낮은 전기전도성 및 은 나노와이어 제조 및 이를 위한 코팅 기술의 기술·경제적 효율성이 떨어지는 등의 여러 문제점을 가지고 있다.

차세대 플렉시블 투명 디스플레이용 고성능 투명전극 개발

최근 국내 연구진이 미국 연구진과의 공동 연구로 투명하고 구부릴 수 있는 디스플레이용 고성능 투명전극 제조 기술을 개발했다.

고려대 기계공학부 윤석구 교수팀과 미국 일리노이대학교 시카고캠퍼스(University of Illinois at Chicago, UIC) 알렉산더 야린 교수팀이 고분자 나노섬유 제조 기술 및 전기도금 기술을 이용하여, 세계 최고 수준의 성능을 지닌 투명전극 제조 기술을 개발했다(사진 1).

▲ 사진 1. 고분자 나노섬유 표면에 구리가 도금된 구리나노섬유 현미경 사진(위)과 피부에 구리나노섬유 투명전극을 붙인 모습(아래 왼쪽), 전극을 연결해 LED에 불이 켜진 모습(아래 오른쪽).

윤석구 연구팀은 인듐주석산화물 및 은 나노와이어의 단점을 극복하기 위해 지름 수 백 나노미터 크기(머리카락 굵기의 수백분의 1 수준)의 고분자 나노섬유를 제조한 후 이 나노섬유 표면에 구리 전기도금을 하여 구리나노섬유의 접촉 저항을 획기적으로 줄이는데 성공했다.

이에 따라 구리 고유의 우수한 전기전도성에 일체형 네트워크 구조가 더해져 현재 은 나노와이어 기술에 비해 수십배 이상 전기전도성이 우수한 투명전극 개발에 성공했다.

아울러 은에 비해 값싼 구리를 사용하며 비진공 상온 조건 하에서 작동이 가능한 고분자 나노섬유 제조 기술과 전기도금 기술을 사용함에 따라 현재 투명전극 제조 공정의 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 것이라 기대하고 있다.

이번 연구는 미래창조과학부의 재원으로 글로벌 프론티어 연구개발사업(하이브리드 인터페이스 기반 미래소재연구)과 연구성과실용화진흥원의 지원으로 개발됐다.

효율성과 유연성 갖춘 OLED 기술 개발

이와함께 손상없이 반복적으로 휘어지면서 우수한 효율을 갖는 플렉시블 유기발광다이오드(OLED) 기술이 개발됐다(그림 1). 이 기술을 개발한 주인공은 카이스트 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 POSTECH 신소재공학과 이태우 교수 공동 연구팀이다.

▲ 그림 1. 그래핀 복합 전극층 기반 OLED의 동작사진

그래핀, 산화티타늄, 전도성 고분자를 복합 전극으로 활용하는 이 기술로 효율 극대화와 우수한 유연성을 동시에 얻을 수 있어 향후 편의성과 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

카이스트 최성율 교수, 김택수 교수가 공동 연구팀으로 참여하고 이재호 박사과정 학생, POSTECH 한태희 박사와 박민호 박사과정 학생이 공동 1저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 온라인 판에 게재됐다.

현재 플렉시블 OLED 기술은 엣지형 스마트폰, 커브드 OLED 텔레비전 등에 사용되지만 플렉시블 OLED를 곡면 형태로 휘게 만든 후 고정시키는 방식으로만 적용되고 있다. 반복적 휨이 가능한 플렉시블 OLED의 구현을 위해선 소재 및 관련 기술의 지속적 발굴이 중요하다. 

특히 반복적으로 휘어질 때 각 구성 요소들이 깨지거나 손상되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 그래핀은 얇은 두께를 통한 우수한 유연성 및 전기적 특성, 광학적 투명성을 갖는다. 이 특성들은 OLED에 주로 사용되는 산화물계 투명전극의 쉽게 깨지는 현상을 극복할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 그러나 플렉시블 OLED가 주로 쓰이는 웨어러블 기기는 배터리 용량이 제한적이기 때문에 유연성과 동시에 OLED의 효율을 함께 확보하는 것이 중요하다.

OLED는 일반적으로 공진현상(Resonance)을 활용해 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 공진현상을 일으키기 위해서는 일정량 이상의 빛 반사가 발생하는 투명전극이 필요한데 그래핀만을 투명전극으로 사용하면 반사가 적어 광효율이 낮다는 한계가 있다. 

연구팀은 위의 유연성 및 효율성 문제를 해결하기 위해 기존의 그래핀에 산화티타늄(TiO2)과 전도성 고분자 형태를 결합한 복합 전극층을 개발했다. 이 구조에서 각각의 전극 층은 서로의 단점을 보완해주는 협력적 역할을 해 공진 효과를 극대화한다. 연구팀이 개발한 복합전극 층은 산화티타늄의 높은 굴절률과 전도성 고분자의 낮은 굴절률이 함께 활용된다.

이를 통해 전극으로부터의 유효 반사율을 높여줘 공진현상이 충분히 활용될 수 있다. 또한 전도성 고분자의 낮은 굴절률은 표면 플라즈몬의 손실로 인한 효율 감소까지 줄여준다. 기존 27.4%의 양자효율에서 1.5배 향상된 40.5%의 외부양자효율을 보이는 OLED를 구현했다(그림 2). 이는 동일 발광재료를 이용해 보고된 그래핀 기반 OLED 중 가장 높은 효율이다. 효율을 향상시키는 구조를 도입하면 유연성 등의 다른 특성이 나빠지는 트레이드 오프 현상이 종종 발생한다.

▲ 그림 2. 산화티타늄 (TiO2)-그래핀-전도성 고분자 복합 전극 기반 플렉시블 OLED 구조 모식도

연구팀은 산화티타늄 막이 구부러질 때 깨짐을 방해하는 자체 특성이 있어 기존 산화물 투명전극보다 4배 높은 변형에도 견디는 것을 확인했다. 이를 이용해 유연성 저하를 최소화하고 성능 극대화에 성공했다.

연구팀의 플렉시블 OLED는 곡률 반경 2.3mm에서 1천회 구부림에도 밝기 특성이 변하지 않아 높은 성능과 유연성을 동시에 확보할 수 있음을 증명했다.

이번 연구는 한국연구재단 공학연구센터 사업의 일환인 차세대 플렉시블 디스플레이 융합센터(CAFDC), 글로벌 프론티어 소프트 일렉스토닉스 연구단, KAIST 그래핀 연구센터, 산업통상자원부의 IT R&D 사업의 지원을 받아 수행됐다.

용액기반 산화물 박막 트랜지스터 제조 ‘성공’ 

인하대학교 최리노(신소재공학과) 및 양회창(유기응용 재료공학과) 교수 공동 연구팀이 구부리거나 휘는 플렉시블 디스플레이 실현의 핵심 기술인 용액기반 산화물 박막 트랜지스터 제조에 성공했다.

TV나 컴퓨터·스마트폰 등 다양한 기기의 디스플레이는 사용자에게 각종 정보를 제공하는 중요 장치로 최근 과학기술 발전으로 구부리거나 휘는 플렉시블 디스플레이, 투명 디스플레이에 대한 연구가 활발하다. 이러한 디스플레이 제조의 핵심 기술이 산화물 박막트랜지스터(TFT) 기술이며, 이는 유리 또는 세라믹 소재의 회로판 위에 진공 방식으로 만든 얇은 막을 이용해 제조된다. 

산화물 박막트랜지스터는 진공 방식의 제조 과정을 거치기에 진공 설비 설립 비용이 커 높은 제작 비용이 차세대 디스플레이 개발의 한계로 지적되어 왔다. 이에 최리노·양회창 교수는 진공 공정을 거치지 않고도 산화인듐(In2O3) 용액을 활용한 용액 기반 공정으로 디스플레이 제조 공정을 바꾸는 데 성공했다.

또한, 용액 공정 시 리튬(Li)을 첨가해 250°C 이하의 저온에서도 전자가 활발히 이동하도록 전자의 이동도를 높여 스포츠 등 빠른 화면 전환을 선명하게 보여주는 고성능 차세대 디스플레이에 적용 가능한 기술을 개발했다.

이러한 저온 공정은 플라스틱 계열의 기판을 활용하는 차세대 투명 디스플레이나 플렉시블 디스플레이 구현에 한발짝 다가섰다는 의미가 있다. 또한, 용액 기반 공정은 산화물 박막트랜지스터 제조 비용을 크게 낮출 수 있어 디스플레이 제품 자체의 가격이 저렴해 질 수 있어 획기적 원가 절감이 기대된다.

플렉시블 플라스틱 기판 AMOLED 기술 개발

저온 공정이 가능한 고성능의 박막트랜지스터 및 OLED가 개발됐다(그림 3). 가볍고 휘어지며 잘 깨지지 않는 스마트폰, 태블릿 PC 등의 차세대 모바일 기기 개발을 위해서는 현재와 같이 유리 기판으로 제작되었을 경우 구부러지지않고 잘 깨지는 심각한 문제를 해결하는 것이 중요하다. 현재 플라스틱 기판을 활용한 AMOLED 이외에는 대안이 없는 실정이다. 플라스틱 기판은 유리 기판과는 달리 고온 공정이 불가능하기 때문에 300도 이하에서도 안전정인 특성을 보이는 고성능의 박막트랜지스터 구현 및 고효율 OLED 개발이 필수다.

▲ 그림 3. 플렉시블 플라스틱 기판 AMOLED 기술

서울대학교 공과대학 전기·정보공학부 한민구 교수와 연구진은 박막트랜지스터는 저온 공정이 가능한 산화물 반도체를 기반으로 공정, 소자 및 회로설계 연구를 동시에 진행하고, 플라스틱 기판을 활용하는 고효율 고성능의 OLED 개발을 위해 새로운 구조 및 소재 개발을 추진해 세계 최고 효율의 OLED를 개발했고 안정성 향상을 위한 연구를 진행중이다.

플라스틱 기판 및 OLED의 유기물은 습기 등 주변 환경에 민감하기 때문에 이를 보호하기 위한 encapsulation 기술이 필요하다. 플렉시블 디스플레이 구현을 위해서는 박막을 이용한 고밀도, 저온, 저손상 encapsulation 기술 개발이 필요하다.

연구진은 개발된 산화물 박막트랜지스터, OLED 및 박막봉지원천기술을 융합하고 플라스틱 기판 위에 화소 및 구동 회로를 설계해 2인치급 시제품을 성공적으로 제작했으며, 전자 여권 등에 적용하기 위하여 신뢰도 및 균일도 향상에 관한 연구를 진행 중이다.

고품위 플라스틱 AMOLED를 개발 시에는 현재의 디스플레이보다 가볍고 구부러지며 깨지지 않는 획기적인 디스플레이가 가능하기 때문에 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 기기 등 고부가가치 모바일기기에 광범위하게 활용이 가능하다. 플라스틱 AMOLED는 개발이 최근에 시작되었기 때문에 상대적으로 원천특허 확보가 가능하여 최근 특허 문제가 격화되고 있는 상황에서 지적재산권을 확보할 수 있다.

이번 기술 개발을 통해 확보되는 플렉시블 산화물 반도체 TFT 기술은 디스플레이 뿐만 아니라 여타 전자소자 제조에도 활용돼 많은 전자소자를 플렉시블 기판 위에 구현하게 하는데 기여할 것으로 보여 반도체/디스플레이 제조 기술의 패러다임을 바꾸게 할 수 있는 혁신 기술이다.

김진희 기자 (eled@hellot.net)