신축성전도체 발광물질기술,

스트레처블 디스플레이 핵심요소

스트레처블·인트린지컬 스트레처블 방식, 신축성 있는 기판 必

광경화성 고분자·고분자 필름, 캐리어·기판층 활용 가능

<3> 스트레처블 디스플레이 소재기술

2. 연구개발 동향

2.1 구조 설계 기반 스트레처블 디스플레이

3) 키리가미, 오리가믹 기반 스트레처블 디스플레이어

가. 국내 연구 동향

▲ <그림 1>국내 kirigami/origami 구조 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료: Sci. Adv. 6.15 (2020): eaax6212.(a) Adv. Funct. Mater. (2022): 2113299.(b))

2020년 서울대학교 최인석 교수 연구팀은 computational wrapping simulation 기반 모델링(modeling)을 통해 상용의 논- 스트레처블(non-stretchable) 패널을 레이져 커팅(laser cutting)으로 곡면에 부착하는 연구를 진행했다.

2022년 과학기술연합대학원대학교(UST)의 김재현 교수 연구팀과 한국기계연구원(KIMM)은 레이져 커팅을 통한 메타 구조 회로 기판(Auxetic meta structure circuit board)를 구현해 최대 24.5% 인장이 가능하고, 인장 시 화면 왜곡이 없는 스트레처블 디스플레이를 선보였다.

나. 해외 연구 동향

▲ <그림 2>해외 kirigami/origami 구조 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료: Adv. Mater. Technol. 3.7 (2018): 1800067.(a) Eiji Iwase et. al. IEEE, 2021.(b))

2018년 미국 펜실베이니아 주립대학교(Pennsylvania State University)의 Noel C. Giebink 교수 연구팀은 OLED lighting sheet를 다양한 형태로 커팅해 3차원적 공간상에서 발광하는 라이팅 플랫폼(lighting platform)을 선보였다.

2021년 일본 와세다대학교(Waseda University)의 Eiji Iwase 교수 연구팀은 최대 97.5% 면적에서 왜곡 없이 인장이 가능한 kirigami mesh structure model을 발표했다.

2.2 신축 소재 기반 스트레처블 디스플레이

1) ACEL 기반 스트레처블 디스플레이

가. 국내 연구 동향

▲ <그림 3>국내 ACEL 소자 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료 : Adv. Mater. 32.37 (2020): 2001989.)

2020년 서울대학교 이태우 교수 연구팀은 페브로브스카이트 나노크리스탈(perovskite nanocrystals, PeNCs)을 색변환층(olor conversion layer)으로 하는 ZnS:Cu 인광체 소재 기반 stretchable electroluminescent device(SELD)를 선보였다.

ACEL 소자를 백라이트 발광층으로 하고 CdSe/ZnS로 구성된 PeCNs를 poly(styrene.ethylene/butylene.styrene(SEBS) 탄성중합체와 배합해 연신 가능한 색변환층으로 하는 소자를 제작해 청색 발광을 녹색 계열로 전환했으며, 최대 180%까지 인장할 수 있음을 확인했다.

나. 해외 연구 동향

▲ <그림 4>해외 ACEL 소자 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료 : Adv. Mater. 28.22 (2016): 4480-4484.(a) Adv. Mater. 27.18 (2015): 2876-2882.(b) science 351.6277 (2016): 1071-1074.(c) Nat. Mater. 19.2 (2020): 182-188.(d))

2015년 미국 하버드대학교(Harvard University)의 Zhigan Suo 교수 연구팀은 황화아연-아크릴 탄성중합체 EL(ZnS-acrylic elastomer EL) 및 polyacrylamide(PAM)-LiCl 하이드로겔 이온전도체(hydrogel ion conductor)로 구성된 ACEL 소자에서 최대 1,500%까지 인장 가능함을 보여주었다.

2015년 싱가포르 난양 기술대학(Nanyang Technological University) Pooi See Lee 교수 연구팀은 ZnS:Cu-PDMS 배합 EL 및 은나노와이어(Ag nanowire, AgNW)가 스프레이 코팅된 PDMS 전도체(conductor) 구조를 통해 최대 100%까지 인장 가능한 신축성 재료 기반 스트레처블 소자를 구현했다.

2016년 미국 코넬대학교(Cornell University)의 R. Shepherd 교수 연구팀은 ZnS-ecoflex EL층과 PAM-LiCl 하이드로겔 이온전도체 및 에코플랙스 봉지층의 Hyper-elastic light emitting capacitor(HLED) 소자를 만들었다. 4×4mm 크기의 8×8 배열 화소(pixel)로 구성된 스트레처블 디스플레이는 단축 방향으로 최대 487% 인장 특성 및 다양한 연신 동작에도 안정적으로 발광했다.

2020년 싱가포르의 싱가포르 국립대학교(National Univ. of Singapore)의 Benjamin C. K. Tee 교수 연구팀은 Healable & low-filed illuminating optoelectronic stretchable device(HELIOS)를 발표했다.

연구팀은 불소계 탄성중합체(fluoroelastormer)와 불소계 계면활성제(fluorosurfactant)를 배합해 높은 유전율(dielectric permittivity)를 가지는 EL층을 구성해 23V 및 1kHz의 비교적 낮은 요구 수준의 전원 조건에서 동작하고, 최대 800% 고인장이 가능하며, 자가치유(self-healing) 특성을 보이는 스트레처블 디스플레이를 선보였다.

2) LEC, PLED 기반 스트레처블 디스플레이

가. 국내 연구 동향

▲ <그림 5>국내 PLED 소자 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료: 자료 : Sci. Adv. 7.9 (2021): eabd9715.)

2021년 연세대학교 박진우 교수 연구팀은 PDMS 매트릭스(matrix)와 SuperYellow(SY) 고분자 발광 소재 간 배합 형태로 PLED 소자를 만들어 최대 80% 단축 인장 및 50% 인장에서 200회 반복 인장 후에도 성능 저하가 없는 신축 소재 기반 소자를 발표했다.

나. 해외 연구 동향

▲ <그림 6>해외 PLED 소자 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료 : Adv. Mater. 23.34 (2011): 3989-3994.(a) Nat. Photonics 7.10 (2013): 817-824.(b) Nature 603.7902 (2022): 624-630.(c))

2011년 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤러스(Univ. of California, Los Angeles, UCLA)의 Qibing Pei 교수 연구팀은 poly(tert-butyl acrylate) (PtBA) 형상기억고분자(shape memory polymer)와 단일벽탄소나노튜브(Single-walled carbon nanotube, SWNT) 간 배합을 스트레처블 전극(stretchable electrode)으로 하고, 청색 발광 플루오린 공중합체(blue emissive polyfluorene copolymer, PF-B) 층을 롤-라미네이션(roll-lamination)해 신축성 재료 기반 PLED 소자를 제작해 최대 45% 인장 성능을 확인했다.

2013년 해당 연구팀에서 용액 공정에서 Poly(urethane acrylate) (PUA) 매트릭스와 은 나노 와이어(silver nanowirem AgNW), SY 간 배합으로 제작한 신축 소재 기반 소자에서 최대 120% 인장 특성 및 30% 인장에서 1,000회 반복 인장 안정성을 확인했다.

2022년 미국 스탠퍼드 대학교(Stanford University)의 Zhenan Bao 교수 연구팀은 SY기반 PLED 소자 적층 구조를 최적화해 휘도 7,450cd m-2 및 신율 100%인 신축 소재 기반 스트레처블 소자를 발표했다.

SY에 PPV(Red), spiro-copolymer(Green), polyfluorene을 배합해 RGB 색상을 구현했으며, 피부부착형 실시간 맥파 신호(on-skin real-time pulse signal)을 표시하는 패치타입의 디스플레이(patchable display)로서 구동을 선보였다.

3) 전자 섬유 기반 스트레처블 디스플레이

가. 국내 연구 동향

▲ <그림 7>국내 e-textile 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료 : Sci. Rep. 7.1 (2017): 1-8.(a) Nano Lett. 18.1 (2018): 347-356.(b) ACS nano 14.1 (2020): 1133-1140.(c))

2017년 카이스트 최경철 교수 연구팀은 나프탈산 polyethylene naphthalate(PEN) 섬유 의류 위에 평탄화층(planarization layer) 을 roll-to-roll thermal laminating 한 후 200nm 두께 OLED 소자를 증착해 곡률반경 (Bending radius, R) 5R (1% strain)/3만 회 이상의 안정적인 벤딩(bending) 구동을 가지는 직물(on textile) OLED를 제작했다.

해당 연구팀은 2018년에 폴리에틸렌 테레프타레이트(polyethylene terephthalate, PET) 섬유 표면에 침지코팅(dip coating) 공정을 통한 PLED 소자 적층으로 3.5R(4.3% strain) 굴곡이 가능한 후면 발광형(bottom emission fiber-based inverted) PLED 광섬유(optical fiber)를 제작했다.

2020년 국민대학교 이성민 교수 연구팀과 카이스트 최경철 교수 연구팀은 전도성 섬유(conductive fiber)와 OLED 섬유를 씨실과 날실로 해 직조한 의류를 제작했으며, 섬유의 직교 직조 지점을 발광 픽셀로 하고 20% 인장이 가능한 전자섬유를 구현했다.

나. 해외 연구 동향

▲ <그림 8>해외 e-textile 기반 스트레처블 소자 연구 예시(자료 : Nat. Photonics 9.4 (2015): 233-238.(a) Adv. Mater. 30.18 (2018): 1800323.(b) Nature 591.7849 (2021): 240- 245.(c) Mater. 11.2 (2018): 184.(d) Matter 2.4 (2020): 882-895.(e))

2015년 중국 푸단대학교(Fudan University)의 Huishen Peng 교수 연구팀은 스테인리스강 와이어(stainless steel wire)에 산화아연(ZnO)/전기발광 폴리머(electroluminescent polymer)/탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)를 순서대로 적층해 6R/100회 굴곡이 가능한 청색/황색 광섬유(optical fiber)를 선보였다.

2018년 동 연구팀에서는 하이드로겔 전극(hydrogel electrode)을 심지로 하는 신축 소재 기반 섬유(intrinsic fiber)에서 최대 800% 인장 성능을 확인했으며, ZnS와 실리콘 탄성중합체(silicone elastomer)로 이루어진 EL 발광층에 유기형광염료(organic fluorescent dye)를 첨가함으로써 RGB 3색을 구현했다.

2021년 동 연구팀에서는 투명전도성섬유(transparent conductive fiber)와 발광섬유(luminescent fiber), 그리고 면화(cotton fiber)를 사용한 의류를 직조해 25cm×6m 크기 대면적 전자섬유 의류(e-textile fabric)을 선보였다. 제작된 의류는 20% 이하 연신에서 1만 회 반복 변형에도 안정적으로 구동했다.

2018년 중국 베이징대학교(Peking University)의 Hong Meng 교수 연구팀은 PDMS 섬유를 심지로 하는 ACEL 구조를 통해 80% 인장 가능한 스트러쳐블 광섬유(stretchable optical fiber)를 제작했다.

2020년 캐나다 윈저대학교 (Univ. of Windsor)의 Tricia Breen Carmichael 교수 연구팀은 나일론 섬유(Nylon fiber)와 금 코팅된 스판소재 섬유(gold-coated Spandex fiber)로 직조된 의류를 전극(electrode)으로 하고, ZnS:Cu/Ecoflex 배합물을 EL층으로 해 단축 기준 최대 200% 인장 가능한 전자섬유 의류 소자를 발표했다.

2.3 스트레처블 디스플레이 구성요소(Stretchable display components)

구조 설계 기반 및 신축 소재 기반 스트레처블 디스플레이는 상이한 기술 기반으로 스트레처블 디스플레이를 구현하지만 소자 구성요소 중 공통으로 사용되는 소재도 있다.

특히 탄성중합체와 이를 기반으로 하는 신축성 전도체(stretchable conductor) 및 발광물질(emitting material) 기술은 현재 연구되는 스트레처블 디스플레이 기술의 핵심 요소이다. 따라서 이러한 요소 기술의 현 수준과 한계를 연구하는 것이 중요하다.

1) 신축성 기판 & 매트릭스(Stretchable substrate & matrix)

구조 설계 기반 스트레처블 방식과 인트린지컬 스트레처블 방식 모두 공통으로 부드럽고 신축성 있는(soft & stretchable) 기판 또는 매트릭스를 필요로 한다. 구조 설계 기반 소자의 경우 전반적인 연신 성능은 상호연결 구조와 이것이 접착된 연신 기판의 영향을 받으며, 신축소재 기반 소자의 경우 각 소자층의 매트릭스가 되는 스트레처블 소재의 영향을 크게 받는다.

가. 광경화성 고분자(Photo-curable polymer)

상용화된 포토레지스트(Photoresist) 제품인 NOA 또는 SU-8의 광경화 고분자(polymer)는 두께를 제어하기 쉽고 기계적 물성이 뛰어나며 미세 패터닝이 가능하다. 따라서 구조 설계 기반 연신 소자에서 발광층을 연질 기판(soft substrate)으로 옮기기 위한 캐리어 층(carrier layer)으로 활용하거나, 패터닝을 통해 아일랜드-브릿지 구조의 복잡한 화소 패턴 및 연결배선(Interconnect) 구조를 구현하는 기판층으로 활용된다.

나. 고분자 필름(Polymeric film)

투명폴리이미드(Colorless Polyimide, CPI), polyethylene terephthalate(PET), polyethylene naphthalate(PEN) 등의 태양전지용 고분자필름(polymeric film) 소재는 높은 강인성(toughness)과 소자를 적층하기에 적합한 고평탄 표면 특성 때문에 구조 설계 기반 연신 소자의 전사 캐리어 층(transfer carrier layer)으로 활용된다.

PU나 실리콘 계열의 신축성(stretchability)이 우수한 태양전지용 고분자 필름의 경우 그 자체로 연질 기판으로 사용되며, 대체로 ~100% 수준의 신축성을 가지는 구조에 적용된다. 특히 박막 필름(thin film) 특성상 사람 피부(human skin)과 같은 연질 기판과의 부착성(attachment)이 좋아서 바이오센서(biosensor) 분야나 웨어러블(wearable), 부착형 센서(patchable sensor) 등에 활용된다.

다. 탄성중합체(Elastomer)

▲ <그림 9>대표적인 Elastomer 소재의 결합 유형과 Young’s modulus(자료 : Chem. Soc. Rev. 48.6 (2019): 1566-1595.)

탄성중합체 계열 소재는 매우 우수한 연신 특성 덕에 구조 설계 기반 소자 및 신축 소재 기반 소자에 공통으로 활용된다. 스트레처블 기술에 적용되는 탄성중합체는 이온가교(ioniccrosslinking)기반 하이드로겔 계열의 소재, 화학가교(chemical-crosslinking) 기반 실리콘 계열의 고분자 탄성중합체(polymeric elastomer), 물리가교(physical-crosslinking) 기반 불소계 고무(fluorine rubber) 계열로 구분할 수 있다.

△폴리아크릴아미드(Polyacrylamide) △알지네이트(alginate) △폴리록산(polyroxane)/폴리비닐알코올(polyvnylalcohol, PVA) △폴리아크릴아미드(polyacrylamide)/알지네이트 하이브리드(alginate hybrid) 등을 기반으로 하는 하이드로겔 또는 이온 겔(ion gel)은 연신 특성이 우수하고, 1kPa~100kPa 사이의 낮은 탄성계수를 가지며, 부착형 센서 제작에 활용된다.

PDMS, 에코플랙스, PU, Silbione 등의 화학가교 기반 탄성중합체는 구조 설계 기반 소자에서는 기판으로, 신축 소재 기반 소자에서는 소자 매트릭스(device matrix) 소재로 활용된다.

공유결합 기반 네트워크(network) 구조로 기계적·화학적 내구성이 높고, 탄성중합체의 가교 정도를 조절해 1kPa부터 수십 MPa에 이르기까지 탄성계수 범위(modulus range)를 제어할 수 있다. 물리가교 기반 poly styrenebutadiene-styrene(SBS), SEBS, 플루오르화 고무(fluorinated rubber)는 신축 소재 기반 계열에서 적용되는 사례가 많다.

SBS·SEBS 같은 소재는 화학가교 소재 대비 필러와 첨가제 함입에 따른 연신 특성의 저하가 적고, 용매·열 등을 통한 성형이 용이하다. 탄성중합체계열 소재는 신축 소재 기반 연신 소자에서는 1,000%까지, 구조 설계 기반 연신 소자에서는 1,600%까지 연신 가능한 스트레처블 소재로 활용된다.