▲ 옷 위에서 구동되는 유기발광 다이오드

KAIST 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 직물과 유기발광다이오드(OLED)를 융합해 높은 유연성을 갖는 최고 효율의 의류형 디스플레이 기술을 개발했다.

연구팀은 차세대 기술로 촉망 받는 의류 형태의 웨어러블 디스플레이에 관련해 유리 대신 실제 직물을 디스플레이 디바이스의 기판으로 삼아, 발광이 가능한 옷감을 구현했다.

최고 수준의 전기 광학적 특성을 갖는 이 소자는 자체 개발한 유무기 복합 봉지(encapsulation) 기술을 통해 장기적 수명이 검증됐고, 굴곡 반경 2mm의 접히는 환경에서도 유기발광소자가 동작한다.

열에 강한 소재로 직물 기판을 엮어 제작하였으며, 열접착을 통해 평탄화층을 형성하였고, 자체적으로 개발한 투명 플렉시블 유기발광다이오드 및 봉지(encapsulation) 기술을 적용해 최종적인 형태의 의류형 유기발광소자 (clothing-type organic light-emitting device)를 제작했다.

디스플레이는 차세대 스마트 제품 외형의 대부분을 차지할 정도로 그 중요성이 커지고 있다. 더불어 사물인터넷과 웨어러블 기술의 비중이 늘어나면서 의류 형태의 웨어러블 디스플레이 기술도 주목받고 있다.

2011년 직물 위에 발광체를 형성한 연구 이후 실제 옷감 위에 디스플레이를 구현하기 위한 노력이 계속됐다. 하지만 직물 특유의 거친 표면과 유연한 특성 때문에 상용화 수준의 성능을 보여주지 못했다.

연구팀은 의류 형태의 웨어러블 디스플레이 구현을 위해 직물(fabric)형과 섬유(fiber)형 두 가지 방식으로 연구를 진행했다.

연구팀은 2015년에 열접착 평탄화 기술을 통해 거친 직물 위에서 수백 나노미터 두께의 유기발광소자를 동작하는 데 성공했다.

2016년에는 용액 속 실을 균일한 속도로 뽑는 딥 코팅(dip-coating) 기술을 통해 얇은 섬유 위에서도 높은 휘도를 갖는 고분자발광소자를 개발했다.

▲ 최승엽

이같은 연구 성과를 바탕으로 최 교수 연구팀은 옷감의 유연성을 유지하면서 높은 휘도와 효율 특성을 갖는 직물형 유기발광소자를 구현했다.

최고 수준의 전기 광학적 특성을 갖는 이 소자는 자체 개발한 유무기 복합 봉지(encapsulation) 기술을 통해 장기적 수명이 검증됐고, 굴곡 반경 2mm의 접히는 환경에서도 유기발광소자가 동작한다.

유기발광다이오드는 두 전극 사이의 광반사를 이용하여 특정 대역의 광추출을 향상시키는 마이크로 캐비티(micro-cavity) 효과와, 소재 자체의 광에너지전환 효율을 높인 인광(phosphorescence) 발광층을 이용하여 광원의 효율을 극대화시킨 구조로 설계되었다.

또한 투명하고 유연한 유기발광다이오드 봉지기술(OLED encapsulation) 기술을 적용하여, 광손실을 줄이고 디스플레이 소자의 장기적인 수명과 유연성을 확보하였다.

이로써 직물 기반의 의류형 발광 소자를 통틀어, 세계 최고 수준의 휘도와 효율을 보이는 우수한 성능을 가진 웨어러블 유기발광다이오드를 제작할 수 있었다.

이 연구 성과는 세계적인 학술지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’7월 21일자에 게재되었으며, 이번 연구는 ㈜코오롱글로텍과의 공동 연구로 진행됐고 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행됐다.

논문에는 고효율의 직물 기반 유기발광다이오드의 소자 성능에 대한 내용과 함께, 직물 기반 전자 소자의 기계적 스트레스(mechanical stress)와 피로 스트레스(fatigure stress), 그에 대한 시뮬레이션 검증이 이루어져 많은 차세대 의류 형태의 전자 소자 연구에 근간이 될 것이라 기대된다.

연구팀은 최고 수준의 휘도와 효율을 갖는 의류 형태의 유기발광 다이오드를 구현했다는 의의가 있으며 보고된 직물 기반의 발광소자 중 가장 유연하다고 밝혔다.

이번 연구를 통해 의류형 발광소자의 기계적 특성에 대한 심층적 분석이 더해져 직물 기반 전자산업 발전에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

최승엽 박사과정은 “직물 특유의 엮이는 구조와 빈 공간은 유기발광소자에 가해지는 기계적 스트레스를 크게 낮추는 역할을 한다”며 “직물을 기판으로 사용해 디스플레이를 구현하면 유연하며 구겨지는 화면을 볼 수 있다”고 말했다.

최경철 교수는 “우리가 매일 입는 옷 위에서 디스플레이를 보는 것이 먼 미래가 아니다”며 “앞으로 빛이 나는 옷은 패션, 이-텍스타일(E-textile) 뿐 아니라 자동차 산업, 광치료와 같은 헬스케어 산업에도 큰 영향을 끼칠 것이다”고 말했다.