- 초고유연 봉지막 적용, 내구성 대폭 향상

- 차세대 디스플레이 기술 혁신 기대

- 유무기 하이브리드 멀티배리어 구조로 성능 향상

충북대와 KAIST 공동연구팀이 초고유연 봉지막 기술을 적용해 고신뢰성 웨어러블 OLED를 개발했다. 이 기술은 차세대 디스플레이의 신뢰성을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

▲본 그림은 SASAS 멀티배리어 구조가 웨어러블 OLED에 방수성과 기계적 유연성을 제공하여, 일상적인 환경에서 높은 신뢰성을 유지할 수 있음을 입증한다. (그림=한국연구재단)

웨어러블 디스플레이의 상용화를 앞당길 기술이 개발돼 주목된다. 

한국연구재단은 충북대 권정현 교수 연구팀 및 한국과학기술원 김택수 교수 연구팀의 공동연구를 통해 초고유연 봉지*막 기술을 기반으로 고신뢰성 웨어러블 유기발광다이오드(OLED)를 개발했다고 밝혔다.

* 봉지 : OLED에서 빛을 내는 유기물질과 전극은 산소와 수분에 매우 민감하게 반응해 발광 특성을 잃기 때문에, 이를 차단하기 위한 공정으로 '봉지'가 필요하며, 이를 통해 OLED의 수명을 보존 또는 향상시킴.

OLED는 유연성, 가벼움, 에너지 효율성 측면에서 기능이 뛰어나 차세대 웨어러블 및 접이식 디스플레이에 적합하지만, 수분과 산소에 민감해 빈번한 굽힘, 접힘, 열, 습도 등에 노출되는 환경에서는 성능과 수명이 쉽게 저하되는 문제가 있다. 이런 이유로 외부 환경으로부터 OLED를 보호할 강력한 봉지 기술이 반드시 필요하다. 

그러나 기존 봉지 기술은 유·무기 다층 구조를 기본으로 형성되나 웨어러블 응용에 필요한 유연성과 환경 안정성은 갖추지 못했다. 무기 재료는 부서지기 쉬워 기계적 변형에 약하고, 유기 재료는 수분 차단이 충분하지 않다. 이를 해결하기 위해 수분 불침투성 및 고내습성을 위한 재료적 설계뿐만 아니라 기계적 강건성 개선을 위한 구조적 설계를 통한 웨어러블 맞춤형 하이브리드 봉지가 필요하다. 

이에 연구팀은 기존의 봉지 기술 한계를 뛰어넘는 유·무기 하이브리드 멀티배리어 구조를 개발했다. 이 구조는 알루미늄 산화물과 실란(실리콘과 수소 원자로 구성된 무기 화합물)계 유·무기 하이브리드 폴리머층을 번갈아 쌓아 구성하는데, 이때 유기층은 유연성을 제공하고, 무기층은 수분과 산소로부터 보호 기능을 담당하게 된다. 

기존의 봉지 기술이 외부 스트레스에 약했던 반면, 해당 연구에서 설계된 멀티배리어 구조는 높은 인장성을 지닌다. 연구팀이 봉지층의 고유한 기계적 특성을 평가한 결과, 기존 무기 재료의 한계를 뛰어넘는 2.8%의 연신율(인장 시험에서, 쇠붙이 따위가 끊어지지 아니하고 늘어나는 비율)을 보이며 유연성을 입증했다. 

또한, 85℃와 85% 습도 같은 가혹한 조건에서도 안정적인 물질 특성을 유지해 차세대 디스플레이의 신뢰성을 높였다.

본 연구의 교신저자인 권정현 교수는 “실제 상용화 가능한 초고유연 고신뢰성의 다층 봉지 기술을 확보했다”라며 “앞으로 본 기술을 활용하여 웨어러블 디스플레이뿐만 아니라 스트레처블 디스플레이 등 다양한 프리폼 유기전자소자 분야에서 활용될 것을 기대한다”고 밝혔다.

한국연구재단이 추진하는 기본연구 및 중견연구 사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 공학 분야 대표 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)’에 2024년 10월 1일 게재되었다. 

(그림1) 유기-무기 멀티배리어 구조의 기계적 특성 평가 및 인장 테스트 결과: (a) 인장 테스트 과정, (b) 변형 상태에서의 CCD 이미지, (c) 멀티배리어 구조의 응력-변형 곡선, (d) 멀티배리어 구조의 연신율 비교, (e) SASAS, SAS, 단일 Al2O3의 응력-변형 곡선 비교    

그림 설명 : 이 그림은 유기-무기 멀티배리어 구조가 기존 무기 재료보다 더 유연하며, 특히 SASAS 구조가 높은 변형률에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 보여준다.

(그림2)  SASAS 멀티배리어로 봉지된 고신뢰성 섬유 기반 Wearable OLED의 구현: (a) 섬유 기반 웨어러블 OLED의 개략도, (b) 물에 24시간 담근 후의 SASAS 구조의 연신율, (c) Al2O3와 Al2O3/실라머의 물 접촉각, (d) 물 속에서 안정적으로 작동하는 OLED 사진, (e) 팔꿈치에 부착하여 안정적으로 작동하는 웨어러블 OLED 사진, (f) 물에 노출되고 굽힘 변형을 겪은 후 SASAS로 봉지된 OLED의 실온 저장 수명 테스트.  

그림 설명 : 본 그림은 SASAS 멀티배리어 구조가 웨어러블 OLED에 방수성과 기계적 유연성을 제공하여, 일상적인 환경에서 높은 신뢰성을 유지할 수 있음을 입증한다.