실 한오라기에 흰색의 빛을 내는 OLED 섬유 기술 최초 구현
실 한오라기에 흰색의 빛을 내는 OLED 섬유 기술 최초 구현
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.04.24 19:52
  • 조회수 8417
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Advanced Science 지의 Inside Front Cover (WOLED 전자 섬유 디스플레이 개념도). 출처  : KAIST
Advanced Science 지의 Inside Front Cover (WOLED 전자 섬유 디스플레이 개념도). 출처 : KAIST

KAIST 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 머리카락보다 얇은 실 위에 흰색의 빛을 발산하는 섬유 OLED (유기발광다이오드) 개발에 성공했습니다.

 

전자 섬유는 기술을 입는다는 개념으로 웨어러블 디바이스의 궁극적인 폼팩터(form-factor, 제품의 물리적 외형을 뜻하는 말)로서 국내·외적으로 활발히 연구되고 있는데요. 특히나 전자 섬유 디스플레이 분야는 기능성 의류뿐만 아니라 패션, 의료, 안전, 차량 디자인 등 다양한 응용 가능성에 많은 주목을 받고 있습니다.

 

최경철 교수 연구팀은 원천기술인 딥 코팅 공정을 개발해 지금까지 형광 OLED, 구동 가능한 고효율 인광 RGB OLED 등 디스플레이 필수 요소 기술들을 머리카락보다 얇은 전자 섬유 형태로 성공적으로 구현했습니다. 하지만, 풀 컬러 디스플레이, 조명 기술 등을 구현하기 위한 필수 요소 기술인 흰색 OLED는 그 구조적 복잡성과 접근법의 부재로 기술 개발에 어려움이 있었는데요. 일반적으로, 흰색 OLED는 삼원색 OLED의 단일 적층 구조에 2~3배 달하는 다중 적층 구조(tandem structure)를 가지고 있습니다. 따라서, 용매 직교성, 곡률 의존성 등을 고려할 때 다중 적층 구조를 섬유 위에 구현하기엔 어려움이 있었죠. 더욱이, 다중 적층 구조의 얇은 전하 생성층(CGL)은 섬유의 곡률에는 취약한 구조로 섬유에는 적합하지 않은 구조였습니다.

 

연구팀은 다중 적층 구조의 문제점들을 해결하고자 섬유 구조에 적합한 딥 코팅 가능한 흰색 단일 발광층 설계에 주목했는데요. 흰색 단일 발광층은 삼원색 발광 재료와 전하 균형을 위한 다수의 전하 수송체들로 구성돼, 시뮬레이션 및 최적화 과정을 통해 설계됐습니다. 이와 함께 딥 코팅 공정이 가능하도록 재료도 고려했습니다. 이를 통해 흰색 OLED를 섬유에 최초로 구현했으며, 야외시인성 확보가 가능한 최고 700cd/m2(칸델라/제곱미터) 수준의 휘도, 10cd/A(칸델라/암페어) 수준의 높은 전기 광학적 성능을 보였습니다. 아울러, 개발된 흰색 OLED 전자 섬유는 그 구조상의 최적화된 에너지 전달 과정 덕분에 구동 환경에 따른 흰색 발광의 색 변화 의존성을 줄여 안정적인 흰색 발광을 보일 수 있었습니다. 

WOLED 전자 섬유 및 현미경 이미지 (좌) 주사전자현미경(SEM)으로 관측한 섬유 위에 적층된 WOLED 박막 이미지 (우). 출처 : KAIST
WOLED 전자 섬유 및 현미경 이미지 (좌) 주사전자현미경(SEM)으로 관측한 섬유 위에 적층된 WOLED 박막 이미지 (우). 출처 : KAIST

 

최경철 교수 연구팀은 그동안 섬유 디스플레이 분야에서 부재했던 디스플레이 필수 요소 기술인 흰색 OLED를 실 한오라기에 성공적으로 구현하여 고품질 섬유 디스플레이를 포함한 패션, 기능성 의류, 차량 디자인 등 다양한 응용 분야에 적용이 가능할 것으로 기대한다고 밝혔습니다.

 

이번 연구를 주도한 최경철 교수 연구팀의 황용하 박사과정은 "흰색 OLED 전자 섬유 구현을 위해 섬유에 적합한 흰색 OLED 구조 및 설계에 집중했다ˮ며 "그동안 전자 섬유 디스플레이 분야에서 부재했던 필수 요소 기술을 개발해 더욱 완성도 높은 고품질 전자 섬유 디스플레이를 구현할 수 있을 것이라 기대된다ˮ고 말했습니다.

 

이번 연구 결과는 나노 분야의 권위 있는 국제 학술지  `어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 1월 24일 字로 온라인 게재됐으며, 4월 14일 字로 전면 내부 표지 논문(Inside Front Cover)으로 게재됐습니다.

논문명: High-Performance and Reliable White Organic Light-Emitting Fibers for Truly Wearable Textile Displays

 

#용어 설명

1. 흰색 유기 발광 다이오드(White OLED, WOLED)

  • OLED는 소자 자체가 스스로 빛을 내는 자체 발광 디스플레이로 수백 나노 두께로 휘고 접히는 플렉시블 및 웨어러블 디스플레이에 응용이 가능한 디스플레이. WOLED는 OLED TV 등에 활용되고 있는 디스플레이 필수요소기술로 소자 자체가 흰색 빛을 냄. 

2. 섬유 디스플레이 (Fiber Display)

- 실제 옷처럼 입을 수 있는 차세대 디스플레이; 실제 옷에 사용되는 섬유를 디스플레이로 구현하여, 일상복에 통합되거나 의류 형태로 직조된 정보 표시 장치

3. 전기 광학적 성능 (Optoelectronic performance)

- 휘도 (단위 면적당 밝기의 정도), 전류 효율 (단위 전류 당 휘도의 정도), 구동 전압 (소자가 구동되는 전압 범위) 등 

4. 탠덤 구조 (Tandem structure)

-  흰색 유기 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 유기 발광 다이오드 구조들이 혼합되거나, 주황색과 청색 유기 발광 다이오드 구조들이 혼합되어 기존 단색 유기 발광 다이오드 구조보다 2~3배 많은 다층을 보유함. 이를 탠덤 구조라고 칭함.

5. 전하생성층 (Charge Generation Layer)

-  흰색 유기 발광 다이오드에서 전하를 생성하는 가운데 층으로 다른 유기 층보다 매우 얇다.


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