에지형 스마트폰, 곡면 OLED 텔레비전 등에 사용되는 플렉서블 OLED 기술은 플렉서블 OLED를 곡면 형태로 만든 후 고정하는 방식을 사용한다. 최근에는 이를 넘어서서 둥글게 말 수 있거나 접을 수 있는 플렉서블 OLED의 개발도 계속 이루어졌다. 반복적으로 휘어지는 플렉서블 OLED를 만들기 위해서는 구부렸을 때 잘 깨지지 않아 전기적, 광학적 특성을 유지할 수 있는 소재가 필요하다. 기존 OLED는 구부리면 쉽게 깨지는 산화인듐주석(ITO)으로 된 투명전극을 사용하므로, 반복적으로 휘어지는 플렉서블 OLED를 만드는 데에는 부적합하기 때문이다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 두께가 원자 수준으로 매우 얇아 유연성이 좋으면서도, 전기적 특성과 광학적 투명성도 기존 투명전극에 버금가는 특성을 보이는 그래핀을 OLED 전극으로 사용했다.

 

하지만 그래핀을 이용한 OLED는 발광 효율이 낮다는 단점이 있었다. OLED는 일반적으로 공진현상*을 활용해 발광 효율을 높인다. 이때 공진현상을 일으키려면 빛을 일정량 이상 반사하는 전극이 필요한데, 그래핀만으로는 빛의 반사가 적어 OLED의 발광 효율을 향상하는 데 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 그래핀에 산화타이타늄(TiO2)과 전도성 고분자를 결합한 복합투명전극층을 개발했다. 그래핀의 상하부에 굴절률이 높은 산화타이타늄과 굴절률이 낮은 전도성 고분자를 겹쳐 쌓아 전극을 만들어 전극의 빛 유효 반사율을 높인 것이다.

 

OLED는 발광분자가 금속층 근처에 있는 구조인데, 이 구조에서는 유기분자층과 금속층의 경계면에서 금속 내 전자들의 집단적인 진동으로 인해 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, 이하 SPP)이라는 전자기파가 발생한다. SPP는 OLED의 효율을 낮추는 주된 요인이며, 일반적으로 유전층의 굴절률이 낮을수록 SPP가 적게 발생한다고 알려졌다. 이번 연구의 경우 연구팀이 개발한 복합투명전극층에 사용된 전도성 고분자의 굴절률이 낮아, SPP로 손실되는 빛을 줄여 OLED의 효율을 증가시킬 수 있었다. 결과적으로 연구팀은 양자효율**이 40.5%인 OLED를 구현했다. 이는 동일 발광재료를 이용해 제작된 그래핀 기반 OLED 중 가장 높은 수치다.

 

복합전극층의 그래핀, 산화타이타늄, 전도성 고분자는 발광 효율을 극대화하면서도 유연성을 상당 수준으로 유지하는 장점이 있다. 연구팀은 산화타이타늄 막이 구부러질 때 깨지지 않게 하는 자체 메커니즘이 있어 기존 산화물 투명전극보다 4배 높은 변형에도 견디는 것을 확인했다. 또한, 연구팀에서 개발한 OLED는 곡선 반지름 2.3mm에서 1000회 구부렸을 때도 밝기 특성이 변하지 않았다. 이 고효율 플렉서블 OLED는 웨어러블 디바이스나 휴대용 기기 등 다양한 곳에 활용될 것으로 예상된다.

 

유 교수는 “OLED는 디스플레이뿐만 아니라 센서에도 활용할 수 있다”라며 “이번에 개발한 OLED를 인체 부착형 센서용 광원으로 사용할 수 있게끔 하는 연구를 진행 중이다”라고 밝혔다.