우리 학교 전기및전자공학부 최경철 교수가 이끄는 연구팀이 지난달 20일 흰색의 빛을 발산하는 섬유 유기발광다이오드(OLED)를 최초로 개발했다고 밝혔다. 연구팀은 섬유 구조에 적합한 흰색 단일 발광층의 설계를 통해 흰색 OLED를 섬유에 최초로 구현하는 데 성공했다.

WOLED란 무엇인가

 OLED는 음극과 양극에 전압을 걸었을 때 각각에서 발생하는 전자-양공이 수송층을 통과하여 발광층(EML)에서 결합하면서 발광층의 발광재료를 들뜬 상태로 만들고, 들뜬 상태의 발광재료가 다시 기저상태로 내려오면서 빛을 발생시키는 원리로 작동한다. 들뜬 상태에서 바닥 상태로 전이하는 과정 중, 계간 전이를 거쳐 빛을 방출하는 경우를 인광, 전이 과정의 지연이 없이 곧바로 바닥 상태로 전이하는 경우를 형광으로 분류한다. 이러한 분류 중, 다중 적층 구조(Tandem Structure)*를 이용하여 흰색 빛을 방출하는 OLED를 WOLED로 부른다.

WOLED를 섬유에 구현하기 위한 방법

 기존의 WOLED는 RGB의 삼원색 OLED가 가지는 단일 적층 구조를 중첩한 다중 적층 구조의 방식으로 구현한다. 이 방식으로 구현한 WOLED는 곡률을 가지는 섬유의 가장자리 부근에서 중첩된 단일 적층 구조가 불균일하게 분포되어 불안정하게 존재할 가능성이 높다. 이뿐만 아니라, 다중 적층 구조에 포함된 얇은 전하 생성층(CGL) 또한 섬유의 곡률에 취약한 모습을 보여 기존의 방식으로는 WOLED를 섬유에 구현하기 어려웠다. 연구팀은 이에 대한 해결책으로 딥 코팅 공정**의 적용이 가능한 흰색 단일 발광층의 설계 방식을 제시했다. 흰색 단일 발광층은 시뮬레이션을 통한 최적화 과정을 거쳐 구성되었으며, 삼원색의 발광 재료와 전하의 균형을 맞추기 위한 전하 수송체들로 이루어져 있다. 

 해당 설계를 통해 실제로 WOLED를 섬유에 구현한 Fiber WOLED는 최대 10.8cd/A수준의 발광 효율을 나타내었다. 더불어, Fiber WOLED는 최대 약 738cd/m2가량의 휘도를 가져 충분한 야외 시인성을 나타냄과 동시에 안정적으로 흰색 빛을 발산하는 모습을 보였다.

 Fiber WOLED는 섬유의 일종으로 사용되므로 땀, 충격 등 외부에서 주어지는 자극에 대한 내구성과 생체 적합성을 동시에 요구한다. 연구팀은 소수성이며 생체 친화적이고 외력에 저항성을 지니는 소재로 기능하는 Al2O3-탄성중합체(elastomer) 이중층을 딥 코팅 기법으로 WOLED의 외부에 덮어 이 문제를 해결했다. 

Fiber WOLED의 응용 가능성 및 보완점

 연구팀은 Fiber WOLED의 응용 가능성 및 보완점에 관한 질문에 직접적인 응용 분야로 섬유 디스플레이를 제시하며, 섬유 디스플레이의 상용화를 위해서는 스위칭 소자, 배선 등과 같은 디스플레이의 요소 기술들이 섬유 형태로 각기 구현되어 직조 집적화가 가능해야 한다는 의견을 언급했다. 또한, WOLED의 집적화 및 대량 생산을 위해서는 대면적 공정이 가능한 Roll-to-roll*** 형태의 공정 및 이에 적합한 소자 구조의 개선이 필요해 보인다고 답변했다.

 연구를 주도한 황용하 박사과정은 모든 연구 과정이 중요하지만, 문제점을 해결하기 위한 접근법을 고민하는 시작 단계를 가장 중요하게 생각한다고 언급했다. 덧붙여, 아이디어의 구현을 위한 고민 과정을 이야기하며 “기존의 연구들을 어떻게 활용하면 새로움을 더할 수 있을지 고민하는 과정을 통해 개발을 성공적으로 마칠 수 있었던 것 같다.”는 말을 남겼다.

다중 적층 구조*
R,G,B의 3원색을 표현하는 OLED 소자가 결합된 구조

딥 코팅 공정** 
정지한 상태의 코팅 용액이 담긴 수조에 코팅되는 물질을 담구어 물질의 표면에 코팅액을 도포하는 방식 

Roll-to-roll 공정***
플라스틱 및 금속박 등 유연성을 가지는 소재를 롤러에 통과시키며 인쇄하는 공정의 형태