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KAIST-POSTECH, 효율·유연성 동시 갖춘 OLED 기술 개발
2016-07-01

KAIST-POSTECH, 효율·유연성 동시 갖춘 OLED 기술 개발
그래핀, 산화티타늄, 전도성 고분자 층으로 구성된 복합 전극층 개발
KAIST 전기 및 전자공학부 유승협 교수와 POSTECH 신소재공학과 이태우 교수 공동연구팀이 손상 없이 반복적으로 휘어지면서 우수한 효율을 갖는 플렉서블 유기발광다이오드(OLED) 기술을 개발했다고 KAIST측이 밝혔다. 이 기술은 그래핀과 산화티타늄, 전도성 고분자를 복합전극으로 활용하는 기술로서 반복적으로 휘어도 깨짐 현상이 발생하지 않고, 기존기술 대비 1.5배 향상된 효율을 보여 향후 웨어러블 기기의 발전에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 현재 플렉서블 OLED기술은 엣지형 스마트폰, 커브드 OLED텔레비전 등에 사용되지만, 플렉서블 OLED를 곡면형태로 휘게 만든 후 고정시키는 방식으로만 적용되고 있다. 따라서 반복적 휨이 가능한 플렉서블 OLED의 구현을 위해서는 소재 및 관련기술의 지속적 발굴이 중요하다. 특히 반복적으로 휘어질 때, 각 구성 요소들이 깨지거나 손상되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.

기존 그래핀 기반 복합 전극층 개발
공진효과 극대화·양자효율 1.5배 향상
그래핀은 얇은 두께를 통한 우수한 유연성과 전기적 특성, 광학적 투명성을 갖는다. 이 특성들은 OLED에 주로 사용되는 산화물계 투명전극의 쉽게 깨지는 현상을 극복할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 플렉서블 OLED가 주로 쓰이는 웨어러블 기기는 배터리용량이 제한적이기 때문에 유연성과 동시에 OLED의 효율을 함께 확보하는 것이 중요하다. OLED는 일반적으로 공진현상(Resonance)을 활용해 발광효율을 향상시킬 수 있다. 공진현상을 일으키기 위해서는 일정량 이상의 빛 반사가 발생하는 투명전극이 필요한데, 그래핀만 투명전극으로 사용하면 반사가 적어 광효율이 낮다는 한계가 있다.
연구팀은 이러한 유연성 및 효율성 문제를 해결하기 위해 기존의 그래핀에 산화티타늄(TiO2)과 전도성 고분자형태를 결합한 복합 전극층을 개발했다. 이 구조에서 각각의 전극층은 서로의 단점을 보완해주는 협력적 역할을 해 공진효과를 극대화한다. 연구팀이 개발한 복합 전극층은 산화티타늄의 높은 굴절률과 전도성 고분자의 낮은 굴절률이 함께 활용된다. 이를 통해 전극으로부터의 유효 반사율을 높여줘 공진현상이 충분히 활용될 수 있다. 전도성 고분자의 낮은 굴절률은 표면 플라즈몬의 손실로 인한 효율감소까지 줄여준다. 이를 토대로 기존27.4%의 양자효율에서 1.5배 향상된 40.5%의 외부양자 효율을 보이는 OLED를 구현했다. 이는 동일 발광재료를 이용해 보고된 그래핀 기반 OLED 중 가장 높은 효율이다. 효율을 향상시키는 구조를 도입하면 유연성 등 다른 특성이 나빠지는 트레이드오프 현상이 종종 발생하는데, 연구팀은 산화티타늄 막이 구부러질 때 깨짐을 방해하는 자체특성이 있어 기존 산화물 투명전극보다 4배 높은 변형에도 견디는 것을 확인했다.

“플렉서블·웨어러블 디스플레이 등
성공에 중요한 기틀 제공할 것”
연구팀의 플렉서블 OLED는 곡률반경 2.3mm에서 1천회 구부림에도 밝기 특성이 변하지 않아 높은 성능과 유연성을 동시에 확보할 수 있음을 증명했다. 유 교수는 “이번 연구 성과가 플렉서블, 웨어러블 디스플레이나 인체 부착·센서용 플레서블 광원의 성공에 중요한 기틀을 제공할 것”이라고 의미를 설명했다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 공학연구센터 사업의 일환인 차세대 플렉서블 디스플레이 융합센터(CAFDC), 글로벌 프론티어 소프트 일렉스토닉스 연구단, KAIST 그래핀 연구센터, 산업통상자원부의  ITR&D 사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 최성율 교수와 김택수 교수가 공동연구팀으로 참여하고 KAIST 이재호 박사 과정생, POSTECH 한태희 박사와 박민호 박사 과정생이 공동1저자로 수행했으며, 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

활용도 높지만, 손상 많은
산화물 투명전극 약점 최대한 보완
플렉서블 기기를 구부리면 굽혀지는 곳의 층은 보통의 층보다 길이가 늘어나는데, 이를 변형률(strain)이라고 한다. 굽힘 정도가 커져 변형률이 커지면 일부소재는 변형을 견디지 못하고 깨지기 시작한다. 깨짐이 시작되는 변형률은 소재마다 다르다. 따라서, 높은 유연성을 가져 거의 접을 수 있는 플렉서블 광원을 구현하려면, 기기에 사용되는 소재의 깨짐 시작 변형률이 높을수록 유리하다. 여러 구성요소 중 가장 문제가 되어온 것은 산화인듐주석(indium tin oxide, ITO)과 같은 산화물 계열의 투명전극이다. 이들 산화물 투명전극은 기존의 디스플레이에서 가장 많이 활용되어 왔지만, 1%정도의 변형률에도 쉽게 깨지고, 반복된 구부림에도 취약한 문제점을 나타낸다. 이러한 문제해결을 위해 기판을 수 마이크로미터 수준으로 얇게 만들어 동일한 곡률반경으로 휠 때 변형률 자체를 낮추는 방법도 대두되고 있으나, 그 경우 활용 폭에 제약이 따르므로 여전히 높은 유연성을 갖는 전극소재를 개발하는 것이 중요하다.
OLED에서는 레이저만큼 강한 공진을 이용하지 않지만, 적절한 수준의 공진현상을 이용하면 효율향상과 함께 높은 색 재현율 등을 구현할 수 있다. 이를 위해 투명전극부의 유효 반사율을 일정수준으로 높이고 목표파장에 맞추어 전체적인 구성층의 두께가 공진 조건을 만족하도록 조절하는 것이 중요하다. 그래핀을 이용한 OLED의 경우 그 자체만으로 공진현상을 활용하기 어려웠는데, 이번 연구에서는 그래핀 앞뒤로 TiO2와 전도성 고분자층을 두는 방법을 통해 공진현상을 적극적으로 활용했다. TiO2는 굴절률이 높은 편에 속하는 물질이고, 전도성 고분자는 낮은 편에 속하는 물질이다. 고굴절률 박막과 저굴절률 박막을 함께 사용해서 유효반사율을 조절하는 기술은 안경의 무 반사코팅이나 거울의 고 반사코팅 등에 예전부터 써온 기술이다.
이번에 개발된 기술은 공정성과 전기적 특성 등을 모두 확보하면서 광학적인 방법을 최대한 활용하여, 그래핀을 투명전극으로 하는 OLED가 보일 수 있는 최대의 성능을 이끌어 냈다는 점에서 의미가 매우 크다. 또한, TiO2와 같이 세라믹 재료를 쓰면서도 통상적인 산화물 투명전극에 비해 월등한 유연성을 보여, 고효율과 높은 유연성을 동시에 확보하는 기술을 구현했다는 점에서 큰 파급효과가 예상된다.

[그림 1] 산화티타늄 (TiO2)-그래핀-전도성 고분자 복합 전극 기반 플렉서블 OLED
(i) OLED 구조 모식도, (ii) 고효율 소자 구현을 위한 1차 공진(First-order cavity)구조 기반 그래핀 OLED 설계(그래프 내 점선 : 전자기장 세기)



[그림 2] 연구진이 개발한 그래핀 복합 전극층 기반 OLED의 동작사진
(i)평면고효율 OLED(외부양자 효율 40.8%), (ii) 플렉서블 OLED(곡률반경 2.3mm 1000회 안정 동작)


 

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