2차원 반도체 소자 활용한 능동방식 ‘풀컬러’ 플렉서블 OLED 개발

[기계신문] 고려대 신소재공학부 김수영 교수팀과 연세대 전기전자공학부 안종현 교수팀이 공동연구를 통해 피부와 옷 등에 자유롭게 부착할 수 있는 풀컬러(Full-color) 플렉서블(flexible) 능동방식 유기발광다이오드(OLED) 제작에 성공했다.

공동 연구팀은 2차원 반도체 소자를 사용해 상대적으로 성능이 뛰어난 초박막 플라스틱 기판에 박막 트랜지스터와 논리회로를 접목함으로써 미래형 디스플레이 상용화에 한 걸음 다가섰다는 평가다.

플렉서블 디스플레이 중에서 2차원 반도체 소자를 이용한 능동방식의 ‘풀컬러’ 유기발광다이오드(OLED) 제작에 성공한 것은 세계 최초다.

MoS₂, WS₂, MoSe₂, WSe₂ 등 2차원 반도체 소재는 웨어러블 전자제품의 백플레인 회로에 사용하기에 적합한 독특한 전기적·기계적 특성을 가지고 있으며, 그 중 MoS₂는 웨어러블 애플리케이션에서 스위칭 디바이스로 제작되어 왔다.

MoS₂ 필름과 트랜지스터 어레이는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)를 사용하여 SiO₂/Si 웨이퍼에 직접 제작되었으며, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판을 ALD(atomic layer deposition) 방식을 통해 Al₂O₃를 코팅했다.

트랜지스터 장치 구조는 접점 및 채널 영역의 n-도핑효과로 인한 금속 접촉 및 캐리어 이동성 향상을 위해 ALD 방식을 통한 Al₂O₃로 캡슐화되어서 제작됐다.

높은 캐리어 이동성 및 ON/OFF 비율이 관찰됐으며, RGB OLED 픽셀의 광 방출은 4~9V의 gate voltage를 적용하여 제어됐다. 2D 반도체 재료와 OLED를 결합한 플라스틱 기판을 이용한 직접 제작으로 전기, 광학, 기계적 성능이 우수했다.

또한, MoS₂ 트랜지스터와 연결된 RGB OLED 픽셀은 데이터와 스캔 라인에 연결됐고 전체 디스플레이 회로는 능동방식으로 작동했다. 트랜지스터의 게이트 신호에 따라 픽셀 전류를 정밀하게 제어하여 OLED의 밝기를 변화시켰고, 초박막 디스플레이의 기계적 특성 덕분에 기기 성능 저하 없이 캐리어 유리기판에서 분리하여 작동시킬 수 있었다.

고려대 신소재공학부 김수영 교수는 “이번 연구는 기존의 풀컬러 디스플레이가 가지고 있던 색 표현력을 유지하면서도 옷 등에 부착할 수 있도록 구부러짐에 적합하도록 성능을 향상했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 미래형 웨어러블 디스플레이 상용화의 시점을 더욱 앞당길 것으로 기대된다”고 언급했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구 지원사업(기초연구실, 리더연구)의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7월 9일 온라인판에 게재됐다.

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