본교 화공생명배터리공학부 김동찬 교수, 본질적 신축성을 지닌 퀀텀닷 디스플레이 소자 개발 

스트레처블 퀀텀닷 디스플레이 시대 성큼 … Nature Electronics 誌 게재 

본교 화공생명배터리공학부 김동찬 교수는 서울대학교 김대형, 현택환 교수 연구팀, UNIST 최문기 교수 연구팀, DGIST 양지웅 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 세계 최고 성능의 스트레처블 QLED(퀀텀닷발광다이오드) 개발에 성공했다. 해당 연구 결과는 4월 15일(한국시간) 전기․전자 분야 세계적 권위지인 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 34.3)’ 온라인판에 실렸다. 

폴더블, 롤러블을 넘어선 새로운 폼팩터(기기 형태)를 가진 개발이 활발하다. 폼팩터 혁신의 핵심은 스트레처블 디스플레이다. 지금까지 개발된 스트레처블 디스플레이는 신축 시 발광부를 제외한 배선부만 늘어나는 구조였다. 신축 시 화면에서 발광부가 차지하는 면적 비율(필 팩터)이 감소해 화질이 떨어지고, 발광부와 배선부 간 계면의 기계적 신뢰성이 떨어지는 문제가 발생한다.

화질 저하 문제 해결을 위해서는 신축 시 배선부와 발광층이 모두 늘어나는 ‘본질적 신축성’이 있는 발광소자 개발이 필수다. 본질적 신축성 발광소자 개발을 위한 기존 연구들은 발광물질로 유기전자 복합소재를 활용해왔다. 하지만 유기전자 복합소재는 이동도 및 색 재현력 측면에서 상용화 수준의 성능에 이르지 못한다는 한계가 있다.

김동찬 교수는 이러한 한계를 극복하고자 퀀텀닷을 발광물질로 활용하는 새로운 신축성 발광층을 고안했다. 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 퀀텀닷과 탄성을 가진 고분자, 정공 전달 소재를 균일하게 섞은 후, 해당 용액을 스핀 코팅 방식을 통해 박막화에 성공하였다. 연구진이 제조한 소자의 최고 휘도(밝기)는 1만5,170니트(nits), 구동 전압은 6.2V로 지금까지 개발된 신축성 퀀텀닷 발광소자 중 가장 우수한 성능을 보였다. 기존 성능이 가장 우수하다고 보고된 2022년 미국 스탠퍼드대 연구진이 개발한 소자는 휘도 7,450니트, 구동 전압 15V였다. 성능을 대폭 혁신한 것이다.

이 소자는 양옆으로 당기는 힘이 가해져도 기계적 손상이나 발광 성능 저하가 발생하지 않는다. 또, 최대 1.5배까지 늘려도 소자 내 퀀텀닷 간의 거리에 큰 변화가 없었다. 자동차 내부 곡면 디스플레이 등 플렉서블이나 폴더블 폼팩터로는 구현이 어려운 곳에 해당 기술이 적용될 경우, 자유 형상 디스플레이 시대를 앞당길 수 있을 전망이다.