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미래부, 센서·디스플레이 동시 가능 OLEB 개발 휴대용 및 차량용 디스플레이 등에 적용 기대 국내연구진이 디스플레이 자체적으로 지문 등 전도를 띄는 인체정보를 즉각적으로 감지하여 화면에 표시하는 차세대 디스플레이 핵심기술을 개발했다. 미래창조과학부(장관 최양희)는 연세대 박철민 교수 연구팀이 최근 하나의 장치가 센서와 디스플레이를 동시에 담당하는 유기발광보드(OLEB : Organic Light Emitting Board)를 개발했다고 밝혔다. 자료 : 미래창조과학부
이번에 개발된 유기발광보드(OLEB)는 전기적인 신호처리 구조가 단순해져 디스플레이가 머리카락 1/100두께(500나노미터)로 얇아지고 더 유연해졌으며, 제작공정이 단축돼 공정비용도 줄일 수 있다. 현재 사용되는 유기발광다이오드(OLED)기반 디스플레이는 센서와 디스플레이가 분리되어 있다. 박철민 교수(사진)는 “이 연구는 지문과 같은 전도를 띄는 생체정보를 감지하면서 동시에 이미지로 표시할 수 있는 새로운 개념의 차세대 디스플레이를 개발한 것”이라고 밝히고, “기존 연구와 달리 감지와 표시가 통합적으로 이루어지는 교류전계를 기반으로 개발하여 기술적원천성을 확보했다”고 설명했다. 박 교수는 또, “향후 디스플레이 관련 추가적인 연구개발을 통해 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 부여했다.
미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)으로 수행된 이 연구내용은 국제적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 4월 13일자에 게재됐으며, 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.논문명 : Organic Light Emitting Board for Dynamic Interactive Display 저자 정보 : 박철민 교수(교신저자, 연세대), 김의혁(제1저자, 연세대), 심우영(공동저자, 연세대), 이태우 교수(공동저자, 서울대)
기존 디스플레이 대비
간소화, 기능성, 다양한 응용 가능 최근 OLED 소자, 전기변색, 감온변색 소자와 다양한 센서픽셀이 융합된 인터렉티브 디스플레이(지문인식기술, 전도성 및 압력 감지기술 등) 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기존의 사용자 상호작용 기반 디스플레이 기술은 모두 외부정보를 센싱하는 센서와 이를 디스플레이로 변환하는 신호제어 기술이 요구되어, 입력 장치(센서)→신호처리(ADC/Microprocessor/DAC)→표시장치(디스플레이)로 구성돼 있다. 이는 복잡한 회로를 바탕으로 하는 마이크로프로세서로 인해 디스플레이의 대면적, 유연성 및 인체정보감지 등의 새로운 기능 구현에 어려움이 있다. 따라서 이러한 기술적 접근방식은 사용자 상호작용 기반의 차세대 디스플레이 구현에 필요한 실시간 고해상도 정보 감지기술, 구성요소의 최소화를 통한 저비용 공정기술에 적합하지 않다.
연구팀은 사용자 정보의 직접적인 시각적 센싱이 가능한 디스플레이를 위해 새로운 발광, 절연소재, 전극 및 소자구조를 설계하고 개발했다. 특히 터치, 피부 무늬, 음성 등 인체정보의 직접적 시각화를 통한 감지가 가능한 유기발광보드를 개발했으며, 이를 위해 촉각(압력) 및 전도성 반응형 스마트 센서, 이러한 정보를 직접적으로 표시할 수 있는 교류전계 기반 고감도 발광소자기술을 개발했다. 연구팀의 교류전계 기반 디스플레이는 기존의 복합적인 회로와 광학소자로 구성되어 있는 디스플레이와 비교해 구조의 간소화, 기능성, 다양한 응용성을 가지고 있다. 이러한 새로운 디스플레이를 유기발광보드라는 새로운 디스플레이 종류로 보고했다. 기존의 디스플레이 개념에서 벗어나 압력과 전도도를 직접적으로 시각화할 수 있는 기술, 그리고 이들 정보를 즉각적으로 표시할 수 있는 디스플레이 기술을 구현했다.
새로 개발된 유기발광보드의 특성은 교류전계를 이용한다는 점에서 다른 교류기반 디스플레이와 유사성이 있지만, 새로운 소자구조를 통한 발광원리를 제안했다는 점에서 원천성이 있다. 특히 상부전극의 사용에 제한이 없다는 점에서 큰 차별성이 있다. 이와 같은 소자구조를 통해 디스플레이 소자의 구동이 절연체층 아래로부터 이루어지는 새로운 플랫폼을 개발했다. 이를 응용하기 위해 다양한 상부 전극이 활용될 수 있음을 확인했으며, 이를 적용하여 절연체층 위에 전도기반의 다양한 정보의 반복적인 쓰기, 읽기가 가능한 유기발광 보드 기술을 개발했다.
유기발광 보드의 구조는 자유로운 상부전극 적용을 가능하게 하는 활용성과 효율성을 크게 확장시켰다는 장점이 있다. 특히 사람의 손가락 역시 전도성이 있는 도체로 역할을 할 수 있다는 점에 착안하여, 손가락을 디스플레이의 상부전극으로 접촉할 경우 손가락의 지문 전체가 발광하는 일종의 지문접촉 발광센서를 개발했다. 또한, 유기발광 보드 위로 전도도를 가지는 유동체의 역동적인 현상을 직접적인 발광을 통해 확인할 수 있는 점이 기존 디스플레이로 구현할 수 없는 차별성을 갖고 있다. 특히 현재 각광받고 있는 OLED기반 공정과의 호환성이 높아 이들 기술과의 융합을 통한 차세대 휴대용, 혹은 차량용 디스플레이로서의 활용이 높을 것으로 기대된다.
투명 디스플레이, 지문접촉 발광센싱 등
광범위한 분야의 산업에 활용 가능할 듯 연구팀에서 개발한 교류전계 기반 유기발광보드는 기존의 디스플레이와는 다른 신호감지와 디스플레이를 동시에 달성한 새로운 소자이다. 특히 개인정보의 감지/디스플레이가 가능하다는 점에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 향후 개인이 직접 디자인하고 표시가 가능한 커스터마이즈 디스플레이와 같은 산업에 널리 활용이 예상된다. 또한, 투명 디스플레이, 지문접촉 발광 센싱, 재기록이 가능한 전자보드 등 광범위한 산업에 적용될 수 있을것으로 기대된다. 뿐만 아니라 지문으로 대표되는 전도성 감지는 물론, 향후 청각 등 타 감각 정보의 감지/디스플레이 소자기술로의 확장이 기대된다. 이를 통해 차세대 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우, 미디어 파사드 등 광범위한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
[그림 1] 유기발광 보드의 구조와 구동원리 및 기본 성능 유기발광 보드의 활용성으로 전도도를 가지는 재료를 이용하여 재 기록이 가능한 글씨 쓰기, 또는 그림 그리기, 지문접촉 발광 센싱, 역동적인 유동체의 발광 모니터링을 기반으로 한다. 유기발광 보드의 구조는 기판 위에 분리돼 있는 두 개의 하부전극 위에 발광층, 절연체 층, 상부전극으로 이루어져 있다. 구동원리는 두 개로 분리돼 있는 각각의 하부전극에 교류 전계를 인가하면 상부전극을 통해 전계가 흐르게 되며 각각의 소자 단위로부터 발광하게 된다.
용어설명
1. Nature Communications : 재료 공정 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표 과학전문지. 전 과학 분야에서 상위 1.68% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.83%(3위/62개) 이내에 든다. (피 인용지수: 11.32) 2. 유기 발광 다이오드 : 발광층으로부터 전류에 반응하여 빛을 발산하는 유기 화합물의 필름으로 이루어져 있는 발광 다이오드이다. 소자가 자체발광하기 때문에 LCD와 다르게 백라이트가 필요 없으며, 따라서 박막화가 가능하고 무게가 가벼운 장점이 있다. 백라이트 방식이 아니기 때문에 명암비와 색 재현력이 매우 높은 편이며 응답속도도 LCD에 비해 매우 빠른 편이다. 하지만 발광소자의 수명이 짧다는 점과 파란 빛을 내는 소자는 현재도 좋은 성능을 내기 위해 많은 연구가 필요로 된다는 단점이 있지만 L CD를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 기술이다. 3. 교류전계 기반 디스플레이 : 일반적인 유기발광 소자는 정류성을 가지고 순방향 바이어스의 직류전압으로 구동이 된다. 반면에 교류전계 기반 디스플레이는 주기적인 역방향 바이어스 전압을 소자에 인가해 주면서, 전극과 유기 발광층 재료의 전하 운반자의 이동도 차이에 의한 접촉 계면에서 발생되는 문제점을 완화시키고 소자의 안정성과 수명을 향상시킨다. 또한, 가정용 공급전원인 교류전압을 직류변환기 없이 사용할 수 있으므로 전력손실 방지와 소자의 구조를 단순화 시킬 수 있는 특성을 나타낸다. 4. 전도성 고분자 : 대부분의 고분자들이 절연 특성을 갖는 것과 달리 전기를 통하게 할 수 있는 전도도를 가지고 있는 유기 고분자를 말한다. 전도성 고분자는 전도도를 갖거나 반도체 특성을 나타낼 수 있다. 전도성 고분자는 전도도를 가지며 분산용액으로도 만들 수 있어, 이를 이용하여 코팅을 하거나 다른 물질과 혼합하기 쉽기 때문에 여러 가지 방법으로 필름제조가 가능하다. 이러한 뛰어난 가공성 때문에 이를 이용한 응용 연구가 활발히 이루어지고 있다. 5. 커스터마이즈 디스플레이 : TV와 같이 일괄적 내용의 디스플레이가 아닌, 사용자 중심으로 정보를 활용하고 표시하는 디스플레이 6. 미디어 파사드 : 미디어(media)와 건물의 외벽을 뜻하는 파사드(facade)가 합성된 용어로, 건물의 외벽에 다양한 콘텐츠 영상 등을 투사하는 것 <Energy News>
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