화질 그대로 스트레칭 가능 세계 최고 성능 스트레처블 QLED 개발

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단이 고무처럼 늘어나도 화질이 변하지 않는 퀀텀닷 디스플레이 기술을 개발했다. 본질적 신축성 발광소자를 구현하여 스트레처블 디스플레이 시대를 열었다.

 

목차

고무처럼 늘어나는 QLED, 탄생

퀀텀닷 기술로 구현한 본질적 신축성 발광소자

스트레처블 디스플레이 시대 열다

차세대 디스플레이의 미래를 여는 연구

연구 추가 설명

 

▲ 연구진이 개발한 본질적 신축성을 지닌 퀀텀닷 발광소자

고무처럼 늘어나는 QLED, 탄생하다!

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 석좌교수) 연구팀은 최문기 UNIST 교수, 양지웅 DGIST 교수팀과 공동으로 세계 최고 성능의 스트레처블 QLED(퀀텀닷발광다이오드) 개발에 성공했다. 이는 폴더블, 롤러블을 넘어선 새로운 폼팩터(기기 형태) 디스플레이 개발에 큰 진전을 이룬 성과다.

기존 스트레처블 디스플레이는 신축 시 발광부를 제외한 배선부만 늘어나는 구조로, 화질 저하와 기계적 신뢰성 문제가 발생했다. 이를 해결하기 위해서는 신축 시 배선부와 발광층이 모두 늘어나는 '본질적 신축성'을 가진 발광소자 개발이 필수였다.

 

▲ 연구진이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의 모식도

• [그림설명] IBS 나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자의 발과층은 퀀텀닷, 탄성체 고분자 소재, 정공 전달 소재로 구성된다. 기존 대비 매우 우수한 발광 성능을 보인다.

퀀텀닷 기술로 구현한 본질적 신축성 발광소자

IBS 연구팀은 퀀텀닷을 발광물질로 활용하는 새로운 신축성 발광층을 고안했다. 퀀텀닷은 높은 색 재현력과 뛰어난 발광 효율을 가진 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 연구팀은 퀀텀닷, 탄성을 가진 고분자, 정공 전달 소재를 균일하게 섞은 용액을 제작하고, 스핀 코팅 기술을 이용해 균일한 발광층을 만들었다.

또한, 연구팀은 신축성 발광층에 적용 가능한 고해상도 패터닝 기술을 개발하여 RGB 3색의 픽셀을 모두 함유한 풀컬러 스트레처블 QLED 디스플레이 소자를 완성했다.

▲ 소자 신축에 따른 발광 성능

• [그림설명] IBS 나노입자 연구단이 개발한 본질적 신축성 양자점 발광소자는 50%까지 신축 변형을 일으켜도 발광 성능이 동일하게 유지됐다.

스트레처블 디스플레이 시대 열다

연구팀이 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. 가령, 이 소자로 20인치의 QLED TV를 만든다면, 30인치 크기까지 잡아당겨도 동일한 발광 성능을 유지할 수 있다.

 

차세대 디스플레이의 미래를 여는 연구

이번 연구는 양자점 기반의 세계 최초 본질적 신축성 LED 개발을 보고했다. 개발된 나노복합체 기반 신축성 발광층은 기존 유기 소재의 한계점을 극복하여 우수한 전기적/기계적 특성을 동시에 구현하는데 성공했다. 향후, 소자의 성능 및 안정성을 추가 개선하여 기술 성숙도를 높일 계획이다.

연구 결과는 학술지 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 34.3)에 온라인 게재되었다.

이번 연구는 차세대 디스플레이 분야에 획기적인 진전을 이룬 중요한 성과이며, 웨어러블 디바이스, 롤러블 디스플레이, 자동차 내부 디스플레이 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 국가기관으로서 기초과학 연구를 통해 국가 경쟁력을 강화하고 국민의 삶의 질을 향상시키는 데 기여하는 것을 목표로 한다.

IBS 나노입자 연구단은 다양한 나노 소재를 연구 개발하여 전자, 에너지, 바이오 분야의 발전에 기여하고 있다.

 

연구 추가 설명

논문명/저널

 

Intriniscally stretchable quantum dot light-emitting diodes
Nature Electronics

저자정보

김동찬(공동 제1저자, 서울대 IBS, 현 가천대), 승효진(공동 제1저자, 서울대 IBS), 유지수(공동 제1저자, UNIST), 김준희(공동 제1저자, 서울대 IBS), 송현화(공동저자, DGIST), 김지수(공동저자, 서울대 IBS), 김윤호(공동저자, UNIST), 이경훈(공동저자, DGIST), 최창순(공동저자, KIST), 정동준(공동저자, 서울대 IBS), 박찬슬(공동저자, 서울대 IBS), 허현준(공동저자, 서울대 IBS), 양지웅(공동 교신저자, DGIST), 최문기(공동 교신저자, UNIST), 현택환(공동 교신저자, IBS), 김대형(공동 교신저자, IBS)

 

연구내용 보충설명

[연구 배경]
플렉서블, 폴더블, 롤러블 등의 형태 가변 디스플레이는 차세대 디스플레이 기술 개발의 메가 트렌드로 자리 잡았다. 이에, 더욱 높은 형태 변형 자유도를 구현하기 위한 신축성 디스플레이의 개발을 위한 연구 노력이 전세계 학계와 산업계에서 활발히 진행되고 있다.

 

특히, 신축 시 발광면 자체가 늘어나는 본질적 신축성 발광소자는 고해상도 신축성 디스플레이를 구현하기 위한 핵심 프론트플레인 부품으로 꼽힌다. 하지만, 아직 본질적 신축성 발광소자의 성능은 상용화 수준 대비 매우 낮은 수준이며, 이에 추가 연구를 통한 성능 혁신이 필요한 상황이다.

[성과 차별점]
기존 본질적 신축성 발광소자는 유기전자 복합소재를 신축성 발광층 소재로 활용하였으나, 소재 한계로 인해 매우 낮은 소자 성능을 기록했다. 이에, 본 연구진은 고성능 콜로이드 양자점을 활용하여 새로운 신축성 발광층 나노복합소재를 개발했다.

 

해당 소재는 양자점, 탄성체 고분자, 정공전달 소재 등의 구성을 갖고 있으며, 신축 시 전혀 손상이 가지 않는 우수한 기계적 특성을 갖고 있다. 또한, 나노복합체 내  정공 전달 소재를 통해 효과적으로 양자점으로 정공을 전달할 수 있어, 기존 성능 기록을 대폭 혁신하여 신축성 발광소자 중 세계최고 성능을 기록했다.

 

또한, 신축성 발광층에 적용가능한 고해상도 패터닝 기술을 개발하였고, 이를 발광소자에 적용하여 RGB 풀컬러 신축성 QLED 어레이를 구현했다.

[향후 연구계획]
이번 연구는 양자점을 기반으로 한 세계 최초의 본질적 신축성 LED의 개발을 보고하였다. 개발된 나노복합체 기반 신축성 발광층은 기존 유기 소재의 한계점을 극복하여 우수한 전기적/기계적 특성을 동시에 구현하는데 성공했다. 향후, 소자의 성능 및 안정성을 추가 개선하여 기술 성숙도를 높일 계획이다.

 

 

출처 : 기초과학연구원

 

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