삼성전자 연구진은 2021년, 피부에 붙인 상태에서 유기발광다이오드(OLED) 화면과 센서가 함께 동작하는 ‘전자 피부’ 시제품을 공개했다. 달리면서도 손목 안쪽에 붙인 밴드형 패치 화면에 심박수가 즉시 표시됐다.
웨어러블 디스플레이는 빠르게 진화하고 있지만, 관건은 화면이 피부처럼 함께 늘어날 때 높은 전력 효율을 유지하는 데 있다. 사람 피부는 팔꿈치·무릎처럼 움직임이 큰 부위에서 변형과 충격이 잦아, 소자가 이를 따라가지 못하면 깨짐이나 접합부 불량이 발생하기 쉽다. 이를 해결하기 위해 신축성 발광 소자가 개발되고 있지만 소자 자체의 신축성과 발광 효율을 함께 끌어올리는 데 한계가 있었다.
이태우 서울대 재료공학부 교수 연구팀은 세계 최고 효율의 ‘완전 신축성 OLED 발광 소자’를 구현했다고 15일 밝혔다. 연구팀은 미국 드렉셀대 유리 고고치 교수팀과 공동으로 모든 구성층이 함께 늘어나는 구조를 만들고, 완전 신축성 OLED에서 세계 최고 수준인 외부양자효율(EQE) 17%를 달성했다고 설명했다. 논문은 세계 3대 학술지인 네이처에 게재됐다.
지금까지의 ‘신축성 디스플레이’는 대부분 딱딱한 비신축성 발광 소자를 신축성 인터커넥팅 기법으로 이어 붙였다. 이 구조는 늘어날 때 접합부 신뢰성이 떨어지고, 피부 형태 변화 과정에서 화질이 저하되기 쉽다. 반대로 '완전 신축성 디스플레이'는 소자 자체가 늘어나는 구조이기 때문에 웨어러블 환경에서 고해상도를 유지하며 안정적으로 동작할 수 있는 대안으로 꼽혔다.
완전 신축성 OLED는 구현이 어렵다. 기판·전극·박막 트랜지스터(TFT)·발광층·센서 등 모든 구성 요소가 물리적으로 늘어나면서도 전기적 특성을 유지해야 하기 때문이다.
연구팀이 짚은 난제는 크게 두 가지다. 첫째는 발광층 효율 저하다. 신축성을 높인 유기 반도체를 만드려면 고무 같은 절연성 탄성체를 섞어 부드럽게 해야 하는데, 이 과정에서 분자 간 엑시톤 전달 경로가 끊기기 쉽다. 경로가 끊어지만 전하 수송과 에너지 전달이 동시에 둔해지고, 결과적으로 발광 효율이 크게 떨어진다.
이 교수는 한국경제신문과 통화에서 “엑시톤은 전자와 정공이 짝을 이뤄 이동하는 상태로, 이 쌍이 에너지를 잃으며 빛이 나온다”고 설명했다. 탄성체가 섞이면 이 쌍이 에너지를 전달하는 길이 막혀 발광 과정이 비효율적으로 변한다는 것이다.
둘째는 낮은 전하 주입 효율이다. 기존 OLED에 쓰는 딱딱한 금속 전극을 쓸 수 없어 그동안은 금속 나노와이어를 탄성체에 임베딩하는 방식을 주로 썼다. 이 구조로는 나노와이어 간 전하 전달이 원활하지 않다.
이 두 난제가 겹치면서 완전 신축성 OLED는 '늘어나는 소자'를 만들더라도 효율이 결정적 약점으로 남았다. 그 결과 지금까지 보고된 완전 신축성 발광 소자의 EQE는 약 6.8% 수준이었다. EQE는 ‘주입한 전자(전하) 대비 바깥으로 빠져나온 빛(광자)의 비율’로, 같은 전력을 넣었을 때 얼마나 효율적으로 화면 밝기를 뽑아내는지를 보여주는 핵심 지표다.
연구팀은 발광층에서 끊기던 엑시톤 전달이 다시 이어지도록 에너지 전달 경로를 재설계했다. 기존 신축성 발광층에서는 분자들이 아주 가까이 붙어 있을 때 ‘근거리 삼중항’ 전달이 핵심 역할을 한다. 근거리 삼중항(덱스터 전달)은 인접한 두 분자 사이에서 엑시톤 에너지가 전자 단독 이동으로 옮겨가면서 전달되는 현상이다. 하지만 탄성체가 들어가 분자 간 거리가 벌어지면 근거리 삼중항 전달이 약해지고 발광 효율이 떨어진다.
연구팀은 '엑시플렉스 호스트'를 도입해 삼중항 엑시톤을 단일항 엑시톤으로 전환시켰다. 엑시플렉스 호스트는 서로 다른 두 유기 분자가 들뜬 상태에서 느슨하게 결합한 복합체다. 삼중항과 단일항의 에너지 차이가 작아 두 상태 간 전환이 비교적 쉽게 일어나는 것이 특징이다. 탄성체 때문에 막히기 쉬웠던 기존 전달 경로의 약점을 우회해 신축성을 갖춘 환경에서도 에너지 전달이 멈추지 않도록 발광층의 동작 경로를 재설계한 것이다.
또한 전극 상부에 금속 탄화·질화 계열 2차원 물질인 맥신을 접합해 전기전도도와 신축성을 확보하고, 일함수 조절 범위를 넓혀 전하 주입 성능을 강화했다고 설명했다. 맥신을 신축성 광전자 소자 전극에 적용한 것은 세계 최초 사례라고 연구팀은 설명했다.
이 교수는 “롤러블·폴더블 디스플레이는 보통 5% 안팎 변형을 견디면 되지만, 피부는 굴곡 부위에서 변형도가 30%까지 늘어난다”며 “이번 연구를 통해 60%까지 늘려도 발광이 유지된다는 점을 발견했다”고 말했다.
최영총 기자 youngchoi@hankyung.com
