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【신기술 3】 세계최고 효율의 피부 부착형 페브로스카이트 발광 소자 개발
2022-12-22

세계최고 효율의 피부 부착형 페브로스카이트 발광 소자 개발
DGIST-UNIST 공동 연구팀, 적용 응용 범위 넓어
최근 웨어러블, 모바일, 사물인터넷(IoT)의 발달로 초고화질 웨어러블 디스플레이에 대한 수요가 높아지고 있다. 웨어러블 전자 기기의 한정된 전원 공급으로 인해 고효율로 웨어러블 디스플레이를 설계하는 것이 중요해졌다. 손목, 손가락 또는 눈에 착용할 수 있는 웨어러블 디스플레이의 한정된 화면 크기에서 다양한 유형의 정보를 시각화하기 위해서는 초고화질 RGB(적
색/녹색/청색) 픽셀이 필수적이라 생각하여 연구를 시작한 계기였다고 한다. 이 연구는 기존의 패터닝 방식의 한계를 극복하고, 높은 성능의 자발광 소자 및 피부 부착형 LED로 제작하여 페로브스카이트의 차세대 웨어러블 디스플레이의 기술적 가치를 증명했다고 평가한다.

정리 편집부
자료 KAIST
개발된 페로브스카이트 인쇄 기술을 통해 구현된 이미지(좌, 중) 및 초고해상도 화소화 예시(우)

기존 안정성 문제, 
전사 인쇄 기술 개발로 한계 넘어
DGIST(총장 국양) 에너지공학과 양지웅 교수 연구팀이 빛의 삼원색인 빨강색, 녹색, 파랑색 모두에 대해 패터닝 1)된 페로브스카이트 2) 발광소자 중 세계 최고 효율을 갱신하는 것에 성공했다. 해당 기술은 UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 최문기 교수와 공동연구를 통해 개발한 기술로 공정을 통해 매우 얇은 두께의 ‘피부 부착형 페로브스카이트 발광 소자’를 제작하여 다양한 변형에 대응할 수 있는 웨어러블 디스플레이를 구현하였다.

할라이드 페로브스카이트는 높은 색순도와 양자효율을 지녀 차세대 발광 물질로써 많은 연구가 진행되어왔다. 하지만, 페로브스카이트 물질은 낮은 안정성을 지니고 있어, 기존 패터닝 공정(포토리소그래피, 잉크젯프린팅)을 적용할 경우 광학적·전기적 특성의 저하가 발생하여 이를 극복할 수 있는 패터닝 기술의 개발이 필수적이었다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 도장을 찍는 것과 같은 방식인 건식 전사 인쇄 기술을 개발하여 안정성을 유지하며 눈의 한계를 뛰어넘는 400 nm 선폭의 초고해상도 패턴을 선보였다. 특히, 반복 공정을 통한 다색상 화소화 공정에서 우수한 성능을 보여 세계 최초 2,550 ppi (최신 스마트폰의 4배)의 고해상도 풀컬러 페로브스카이트 패턴화에 성공했다.본 연구는 페로브스카이트 나노입자/유기전하수송층 이중층 박막의 전사 인쇄 기술을 개발하여 초고해상도 페로브 스카이트 나노입자 발광층을 구현하였다. 기존 전사 인쇄 방식은 광리소그래피 공정 없이 스탬프만을 이용해 과정이 간단하나 물질의 표면에너지에 따라 박막내부 균열로 인한 전사 효율이 떨어지는 문제가 있다.

유기물 박막과의 이중층 건식 전사 인쇄 방식은 스탬프와의 계면에너지를 크게 줄여 기존의 전사 인쇄 방식의 내부 균열 문제를 효과적으로 해결하였고 세계 최초 2550 ppi (기존 4K TV 해상도: 180 ppi)의 페로브스카이트 초고해상도 RGB 픽셀화 및 400 nm 선폭의 단색상 라인 패턴화에 성공하였다.

이 기술을 이용해 형성된 페로브스카이트 발광층은 페로브스카이트 나노입자 간 간격이 줄고 정공수송층 3)과의 계면 4) 특성이 개선되어 기존 보고된 패터닝된 페로브스카이트 자발광 (Electron luminescence, EL) 소자 대비 훨씬 높은 최대 15.3 %의 외부양자효율 (EQE)을 나타냈다. 또한 본 연구 기술로 제작된 피부부착형 페로브스카이트 LED 소자는 2.6 마이크로미터(머리카락 두께의 약 1/40)의 초박막 봉지구조 내에 LED 소자를 형성하여 피부 및 나뭇잎 등 다양한 곡면에 부착할 수 있으며 굽힘, 비틀림뿐만 아니라 0.25 mm(면도날의 두께)의 곡률 반경에서도 구동할 수 있는 안정적인 기계적·광학적 성능을 나타냈다.
이중층 전사 인쇄 방식으로 구현된 페로브스카이트 LED 소자 이미지(좌) 및 성능(우)

이중층 전사 인쇄 방식으로 
구현된 페로브스 카이트 LED 소자
페로브스카이트 나노입자의 유기전하수송층 이중층 박막의 전사 인쇄 기술을 개발하여 초고해상도 페로브스카이트 나노입자 발광층을 구현하였다. 기존 전사 인쇄 방식은 광리소그래피 공정 없이 스탬프만을 이용해 과정이 간단하나 물질의 표면에너지에 따라 박막 내부 균열로 인한 전사 효율이 떨어지는 문제가 있다. 유기물 박막과의 이중층 건식 전사 인쇄 방식은 스탬프와의 계면에너지를 크게 줄여 기존의 전사 인쇄 방식의 내부 균열 문제를 효과적으로 해결하였고 세계 최초 2550 ppi (기존 4K TV 해상도: 180 ppi)의 페로브스카이트 초고해상도 RGB 픽셀화 및 400 nm 선폭의 단색상 라인 패턴화에 성공하였다.

이 기술을 이용해 형성된 페로브스카이트 발광층은 페로브스카이트 나노입자 간 간격이 줄고 정공수송층과의 계면 특성이 개선되어 기존 보고된 패터닝된 페로브스카이트 자발광 (Electron luminescence, EL) 소자 대비 훨씬 높은 최대 15.3 %의 외부양자효율 (EQE)을 나타내었다.
개발된 인쇄 기술로 구현된 피부 부착형 페로브스카이트 LED 소자가 사람 피부에 부착된 모습

VR, AR 및 스마트 
웨어러블 디바이스 개발에까지
TV와 같은 일반적인 형태의 디스플레이 뿐만 아니라 VR, AR 및 스마트 웨어러블 디바이스 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다. 또한 초박형 디스플레이는 향후 차량용 디스플레이 등 다곡형 미래 모빌리티 디스플레이에 활용될 것으로 예측된다. 상용화되기까지는 페로브스카이트 발광체의 본연적인 안정성 문제를 해결하는 것이 중요하며, 관련 연구를 통해 실용화를 단축시킬 수 있다. 지속적인 연구를 통해 차세대 초고해상도, 초고효율 디스플레이 기술 실용화에 기여하는 것이 목표라고 연구진은 밝혔다.

DGIST 양지웅 교수는 “페로브스카이트 표면에 간단히 유기반도체층을 도입함으로서 패터닝 과정에서 발생할 수 있는 화학적·물리적 결함을 억제할 수 있었다”고 밝혔다. UNIST 최문기 교수는 “본 연구를 통해 페로브스카이트 LED 소자에 기반한 디스플레이뿐만 아니라 VR, AR 및 스마트 웨어러블 디바이스 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다”고 말했다. 한편, 본 연구는 연구재단 우수신진연구사업, 함께달리기, 삼성미래기술육성센터 사업 등의 지원을 통해 이뤄졌으며, 세계적 과학저널 사이언스지 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 온라인에 게재되었다.
(오른쪽에서 왼쪽으로) dgist 에너지공학과 양지웅 교수, 박규리 석박통합과정생, unist 신소재공학과 권종익 석박통합과정생, 최문기 교수
1) 패터닝 기판에 원하는 회로나 모양을 식각하는 행위로 여러 색상의 발광층이 동시에 필요한 풀칼라 디스플레이 구현을 위한 필수적인 기술이다.
2) 페로브스카이트(CaTiO3) 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물로, 부도체, 반도체, 돈체, 초전도 현상을 보이는 특수한 구조의 금속 산화물이다.
3) 정공수송층 : HTL 또는 정공수송층(Hole Transport Layer)은 OLED 소자(Device)에서 정공(Electron Hole)을 전달하는 역할을 하는 층으로, EBL(Electron Blocking Layer)과 함께 공통층(RGB 모든 영역에서 사용되는 층)을 이른다.
4) 계면 : 기체, 액체, 고체 중 2개의 상이 접할 때 상과 상 사이에 형성되는 경계면을 말한다.

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