우리 학교 전기및전자공학부 최경철 교수와 나노종합기술원 이용희 박사 공동연구팀이 맥신(MXene) 나노기술을 이용하여 수분이 닿아도 발광하는 방수성 투명 플렉시블 OLED를 개발하였다고 지난 6월 28일 밝혔다. 본 연구는 정소영 박사과정이 제1 저자로, 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ACS nano에 지난 6월 13일 게재됐다.
 

맥신 소재의 특징 및 한계점

맥신은 투명하고, 유연하며, 전도성을 띄는 특성 이외에 표면 친수성, 작용기 치환을 통한 일함수 조절 가능성, 용액 공정을 통한 대규모 생산성 등의 특성을 보인다. 그러나, 대기 중 수분이나 물에 의해 쉽게 전도성을 잃는다는 단점을 가지고 있다.

본 연구에서는 이런 전기적 특성 열화 매커니즘을 두 가지로 규명했다. 먼저, Ti3C2Tx 맥신 시트의 표면이 TiO2로 쉽게 산화되면서 전도성을 잃는 것이다. 두 번째로는 수많은 맥신 시트 사이로 수분이 침투하여 시트 간 거리를 넓히고, 이에 따라 전자의 이동이 차단되어 생기는 전기적 열화다. 이는 맥신을 고습도에서 저습도로 옮길 때 맥신의 저항이 증가함을 통해 알 수 있었다.
 

인캡슐레이션 전략과 패터닝 기술

맥신 소재가 수분에 취약한 점을 보완하기 위해 연구팀은 인캡슐레이션(Encapsulation) 기술을 도입하였다. 인캡슐레이션 전략이란, 나노-마이크로 단위의 얇은 박막을 증착하여 소자를 동봉함으로써 외부의 수분, 산소 및 각종 액체 및 기체 분자들로부터 소자를 보호하는 전략이다. 수분 분자의 크기는 1.8Å이기 떄문에 수분 침투를 막기 위해선 옴스트롱 단위의 빈공간도 없을 만큼 박막의 밀도가 높아야 한다. 근상온에서 증착된 TiO2는 박막의 내부 잔류응력이 낮아 미세균열이 없어 수분을 차단하는 특성이 굉장히 높다. 그래서 이를 주 수분차단막으로 사용했다. 여기에 Al2O3를 교대로 증착하여 nanolaminate 구조로 제작함으로써 균열분리효과를 내어 수분차단성을 더욱 향상하였다. S-H nanocomposite은 봉지막의 유연성을 향상시키는 데 사용했다.

S-H nanocomposite은 압축 잔류응력을 가지고 있다. 그리고, 원자층 증착(ALD)으로 형성한 Al2O3/TiO2 nanolaminate 무기박막은 인장 잔류응력을 가지고 있다. 만약, 50MPa의 인장 잔류응력을 갖는 50nm 두께의 무기박막 위에 -25 MPa의 압축 잔류응력을 갖는 100 nm 두께의 유기박막을 코팅한다면 구조의 총 잔류응력은 0에 근접하게 된다. 이처럼 서로 다른 방향의 잔류응력을 갖는 박막이 인접된 구조로 설계하여 총 잔류응력을 0으로 만드는 것이 잔류 응력 상쇄 기술이다. 

총 잔류응력을 0으로 만드는 이유는 박막이 받는 스트레스를 줄이기 위해서다. 박막이 받는 총 스트레스는 외부의 변형(굽힘, 늘림 등)에 의한 응력에 내부 잔류응력을 더한 값이다. 여기서 박막이 버틸 수 있는 한계 응력이 고정되어 있기 때문에 내부 잔류응력을 0으로 만들면 외부 변형에 더욱 강해질 수 있다.

또한, 전기적 특성의 열화 없이 세탁이 가능하도록 액체 상태의 물 분자를 물리적으로 차단하는 수십 마이크로 두께의 얇은 플라스틱 필름을 OLED 최상부에 부착했다. 더불어, 패터닝 기술을 활용하여 맥신 기반 OLED를 글자나 모양 표시가 가능한 투명 디스플레이로 만들 수 있었다.
 

정 박사과정은 2020년도에 처음으로 맥신 전극이 OLED에 적용된 논문이 게재되었으며, 그 정도로 OLED 분야에 있어 신소재인 맥신을 직접 경험하게 되어 재미있었다고 말했다. 그리고 현재는 더 이상 굽히거나 접는 변형에 국한되지 않고 늘렸을 때도 기능을 유지하는 봉지막을 연구하고 있다고 밝혔다.