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Research

전자 기기, 이제는 늘었다 줄었다 할 수 있을까? 변형 가능한 전계발광기술 개발

  • 조회. 177
  • 등록일. 2022.04.20
  • 작성자. 대외협력팀

- 발광층 내부에 전극 삽입으로 평면형 투명전극 제거 및 고휘도 발광 구현

- 다양한 변형에도 밝기 및 내구성 강해, 추후 다양한 웨어러블 섬유 및 기기 개발에 도움이 될 것으로 기대돼

 

[(왼쪽에서 오른쪽으로) DGIST 에너지융합연구부 정순문 책임연구원, 송성규 전임연구원]

 

 DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 정순문 박사 연구팀은 새로운 개념의 전계 및 기계발광을 동시에 발생시키는 소자 구조를 개발하였다. 이를 통해 기존 방식의 한계점을 극복한 고휘도, 저비용, 신축성 발광소자 제작이 가능해져 외부의 환경변화에 강한 전광판과 현수막 등 다양한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.

 고체에 강한 전계를 가했을 때 발광하는 현상을 전계발광이라고 한다. 이를 발생시키기 위해 기존에는 발광층을 샌드위치 형식으로 평행하게 둘러싸는 두 개의 평면전극을 활용한 수직전계 (vertical E-field) 방식을 활용하였는데, 그 재료로 대부분 금속 및 인듐 주석 산화물을 널리 사용하였다. 하지만 이러한 전극들은 신축성이 많이 떨어지기 때문에 늘어나면서도 빛을 안정적으로 방출하는 발광소자를 제작하는데 큰 걸림돌이 되어 왔다.

 이러한 한계점을 극복하기 위해 정순문 박사팀은 발광층 내부에 얇은 막대 형태의 은 나노와이어 전극을 발광층과 평행하게 삽입시켜 면내전계 (in-plane E-field)를 발생시켰고 이를 통해 안정적으로 고휘도 빛을 방출시키는 소자를 개발함과 동시에 신축성을 대폭 개선했다.

 이번에 개발된 면내전계 기반 발광소자에는 정 박사 연구팀이 세계최초로 기 보고했던 황화아연(ZnS)과 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)의 혼합물을 기계발광 및 전계발광층으로 동시에 적용시켰으며 이는 하나의 소자에서 전계발광과 기계발광이 동시에 발생할 수 있음을 의미한다. 특히 발광층 내부에서 발생된 빛이 전극을 통과할 필요가 없고 두꺼운 발광층 활용을 가능하게 하여 기존소자 대비 매우 높은 휘도를 달성할 수 있었다.

 에너지융합연구부 정순문 박사는 이번에 개발된 발광소자는 고가의 증착공정이나 패터닝 공정을 필요로 하지 않고 외부의 다양한 환경에도 강한 내구성을 보여주고 있다라며 향후 보다 정밀한 전극 패턴디자인을 통해 실생활에 적용시킬 수 있는 소자를 개발하려 한다고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 세계적 응용물리 국제학술지인 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews) 최신호에 게재되었다. 또한 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 중견연구자지원사업과 DGIST의 연구지원으로 진행됐다.

 

 

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연구결과개요

Bright and uniform light emission from stretchable, dual-channel energy conversion systems: Simultaneous harnessing of electrical and mechanical excitations

(Seongkyu Song, Hyeon-Seo Choi, Chang-Hee Cho, Sang Kyoo Lim, and Soon Moon Jeong)

(Applied Physics Reviews, on-line published on 21 March, 2022)

 

본 연구 내용은 은 나노와이어 (AgNWs) 전극을 황화아연 발광재료(zinc sulfides)polydimethylsiloxane (PDMS)의 투명 실리콘 고무 혼합 필름 내부에 삽입시키고 (PDMS+ZnS) ML(mechanoluminescence, 기계발광)EL(electroluminescence, 전계발광)을 동시에 발생시키는 신축성, 고휘도 발광소자 제작을 기반으로 하고 있다. PDMSZnS 혼합체는 본 연구팀에서 최초로 기보고한 고휘도 ML 발광구조이며 이는 기존의 논문 및 특허에서도 발표하였듯이 MLEL을 동시에 발생시킬 수 있는 매우 간단하면서도 독특한 발광층이다. 특히 EL 구조의 경우 현재까지는 평면 전극을 PDMS+ZnS 발광층에 이용, 전극간에 걸리는 수직 전압에 의해 발광하는 구조가 대부분 보고되었으며 대부분 금속 및 인듐 주석 산화물이 널리 사용되어 왔다. 하지만 이러한 전극들은 신축성이 많이 떨어져 늘어나면서도 빛을 안정적으로 방출하는 발광소자를 제작하는데 큰 걸림돌이 되어 왔다. 또한 강한 전계를 가하기 위해 기본적으로 얇은 두께의 발광층이 선호되어 왔으나 이렇게 얇은 발광층 두께는 다양한 모양으로 늘어나거나 변형될 때 결국 소자가 파손되는 위험이 증가하는 이유가 되기도 한다.

본 연구에서 개발된 면내전계 기반 발광소자의 경우 일반적으로 고려되는 얇은 발광층의 요구조건을 탈피하고, 면내전계(in-plane E-field)를 도입시킴으로써 광이 외부로 방출되는 데 있어서 방해가 되는 평면전극을 제거할 수 있음과 동시에 두꺼운 발광층이 활용이 가능하였고 이는 특히 높은 전계에서 두꺼운 발광층 전체를 발광시킴으로써 평면전극 기반의 기존소자에 비해 3.8배 이상의 휘도 향상을 보여주었다. 마찬가지로 두꺼운 발광층 활용과 신축성의 향상을 통해 ML의 밝기도 기보고한 전도성 섬유기반 소자에 비해 획기적으로 증가시켰다. 따라서 본 연구에서의 접근 방법은 고휘도 EL ML이 가능하게 하며 다양한 형태의 신축성광원에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 평면전극에 기반한 유연 전계발광소자를 제작하기 위해서는 전극의 투과도 및 전기전도도가 다양한 변형에도 유지됨과 동시에 높아야 하기에 제작하기가 어려운 단점이 있어왔으나 본 연구개발에서 제안된 EL 구조의 경우, stretchability와 전기전도도가 높은 은나노와이어 전극을 발광층 내부에 교차로 삽입시키고 (multi-parallel) 수직 전계가 아닌 면내(in-plane) 방향으로 가해지는 전계를 통해 EL이 발생함으로써 기존소자 대비 투과해야 할 전극이 없고 곧바로 외부로 방출된다는 점 및 두꺼운 발광층 활용이 가능하다는 장점을 동시에 지니고 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

단기적으로는 전광판 및 현수막 등에 쓰일 수 있을 것으로 보이며 해상도 및 구동전압이 더욱 개선될 경우 다양한 형태의 스트레쳐블 발광소자 및 웨어러블 기기에 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 기계적인 변형이 가해질 때에도 빛이 발생하기에 외부전원이 공급되지 않는 곳에서도 사용가능한 새로운 형태의 발광소자응용을 기대할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해상도 및 구동전압의 문제를 해결하기 위해 전극의 간격 및 깊이를 더욱 조밀하게 조절할 수 있는 공정개발이 필요하며 이러한 점이 해결된다면 곧바로 실용화가 가능할 것으로 기대한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

연구팀은 수년전부터 다양한 특성을 보여주는 유연 전계/기계발광소자를 개발하여 왔으나 변형에 따른 전극의 투과도 및 내구성의 문제, 그리고 발광층의 두께가 충분히 얇아야만 구동이 가능하다는 문제로 인해 만족할만한 성능을 보여주지는 못하였다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 현재의 in-plane 전극 구조를 생각하게 되었으며 본 연구에서는 stretchability 및 전기전도도가 높은 은 나노와이어를 사용하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 구조는 전계발광 뿐만 아니라 기계발광 (Mechanoluminescence) 에도 특화된 발광재료를 사용한다. 특히 두꺼운 발광층에서도 문제없이 발광할 수 있는 구조이기에 강한 기계발광 또한 기대할 수 있으며 이를 통해 다양한 자극 (전기, 굽힘, 늘림 등) 에도 강한 광을 방출시킬 수 있는 발광필름이 개발될 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

연구팀의 최종 목적은 다양한 형태 변형에도 안정적으로 광을 방출하는 전계/기계 발광 소자를 개발함으로써 유연 발광소자의 패러다임을 바꾸는 것이다.

 

 

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그림설명

[그림] 인플레인 전계발광소자의 개략도 및 발광양상

 

(그림설명) 새로 개발된 인플레인(in-plane)전계발광소자의 개략도 및 발광양상을 보여주는 그림. Stretchability와 전기전도성을 동시에 지닌 패턴된 은나노와이어의 얇은 가닥들을 ZnS:Cu/PDMS 발광층 내부에 면내방향으로 삽입시킴으로써 빛이 발생하는 구조 (그림 a). 특히 ZnS:Cu/PDMS 구조는 전계 뿐만 아니라 기계적 변형에 의해서도 빛을 발생시키는 기계발광 재료이므로 전계와 기계적 변형을 동시에 가했을 경우 두 종류의 빛이 동시에 발생할 수 있음. 따라서 소자에 전계만 가했을 경우에는 은나노와이어 전극이 내부에 삽입된 부분에서만 전계발광이 발생하며 (그림 b) 전계 및 기계적 인장운동을 동시에 가했을 경우에는 전계 및 기계발광이 동시에 발생함 (그림 b). 

 

 


 

 

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