한국 카이스트 연구팀이 매우 구현하기 어려운 꿈의 기술인 흰색 OLED를 전자 섬유를 개발했다. 흰색 발광 입는 디스플레이 기술은 난이도가 높아서 개발이 어려웠다. 전자 섬유는 ‘기술을 옷처럼 입는다’는 개념이다.
1. KAIST 최경철 교수 연구팀 흰색발광 입는 디스플레이 기술 개발
카이스트 연구팀은 원천 기술인 딥 코팅 공정을 개발해 지금까지 형광 OLED, 구동 가능한 고효율 인광 RGB OLED 등 디스플레이 필수요소 기술들을 머리카락보다 얇은 전자섬유 형태로 성공적으로 구현했다. 그러나 흰색발광 구현은 쉽지 않았다.
마침내 세계 최초로 얇은 실에서 흰색 빛을 발광하는 유기발광다이오드(OLED)디스플레이를 만들었다. 이는 웨어러블 디바이스(입는 기기) 상용화에 새로운 경지이다.
한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 최경철 교수 연구팀이 머리카락보다 얇은 실 위에 흰색의 빛을 내는 섬유 OLED를 드디어 개발해 냈다.
이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 사어언스(Advanced Science)’에 지난 1월24일 온라인에 게재됐고 이달 4월14일 출판본의 전면 내부 표지 논문으로 실렸다.
전자 섬유는 ‘기술을 입는다’는 개념이다. 웨어러블 디바이스의 궁극적인 폼팩터(form factor= 제품의 물리적 외형)로서 국내 국외에서 활발히 연구되고 있다.
전자섬유는 옷처럼 ‘입는 디스플레이’로 입은 채로 정보를 조회할 수 있고 메시지를 주고 받으며 실시간 네비게이션 기능까지 하는 전자 섬유가 있다. 전자 섬유는 섬유의 고유한 특성을 유지하면서 전기적 특성을 가진 웨어러블용 전자 소재이다.
2021년 초 중국 푸단대에서 전도성을 가진 투명한 섬유의 발광성을 가진 섬유 자체를 개발했다. 먼저 발광활성 재료가 들어간 고분자 복합 섬유의 전도성이 있는 투명한 고분자겔 형태의 실을 만들었다.
이 실들을 천으로 짜는 과정 중에 가로 씨실과 세로 날실을 엮어 전기 발광점을 형성하고 전기회로를 효과적으로 통제해 직물형 디스플레이를 만들었다. 특히 전자섬유 디스플레이 분야는 기능성 의류뿐 아니라 패션, 위료, 안전, 차량 디자인 등 다양한 응용 가능성에 많은 주목을 받고 있다.
미국 tv SF시리즈 ‘스타 트렉’에서 이미 더 고기능의 웨어러블 디바이스를 다룬 바 있다. 우주연방의 대사가 아름다운 시각장애여성인데 행성간 여행을 하며 업무수행에 전혀 문제가 없었다.
아무도 맹인인 것을 알아차리지 못했다. 이유는 입는 기기인 망토가 정보를 즉각즉각 제공하기 때문이다. 망토에 불이 반짝반짝 들어오던 장면이 기억에 남는다.
2. 세계 최초 흰색 OLED 섬유 구현
섬유 디스플레이 분야에서 흰색 OLED 디스플레이 필수요소 기술이다. 그러나 그동안 섬유 디스플레이 분야에서 흰색 OLED는 없던 기술이었다.
풀컬러(full color) 디스플레이, 조명 기술 등을 구현하기 위해서는 흰색 OLED가 필수요소 기술이다. 그러나 구조적 복잡성과 접근방법이 없어서 기술 개발이 매우 어려웠다.
삼원색 OLED는 단일 적층구조이다. 이에반해 흰색 OLED는 단일 적층의 2~3배 달하는 다중 적층구조(tandem structure)이다. 따라서 용매 직교성, 곡률 의존성 등을 고려할 때 다중 적층구조를 섬유 위에 구현하기에 어려움이 있었다.
다중 적층 구조의 얇은 전하 생성층(CGL)은 섬유의 곡률에는 적합하지 않은 취약한 구조이다. 연구팀은 다중 적층 구조의 문제점들을 해결하고자 섬유 구조에 적합한 딥 코팅 가능한 희색 단일발광층 설계에 집중했다.
흰색 단일 발광층은 삼원색 발광 재료와 전하 균형을 위한 다수의 전하 수송체들로 구성되었다. 이는 시뮬레이션 및 최적화 과정을 통해 설계되었고 딥 코팅 공정이 가능하도록 재료면에서도 설계되었다.
이를 통해 흰색 OLED를 섬유에 최초로 구현했다. 야외 시인성 확보가 가능한 최고 700cd/㎡ 수준의 휘도, 10cd/A(칸델라/ 암페어)수준의 높은 전기 광학적 성능을 보였다.
칸델라는 주어진 방향에서 빛이 얼마나 강렬한가를 나타내는 국제 단위계(SI)이다. 암페어는 특정 시간당 흐르는 전류의 강도를 의미한다. 전기 기구에 흘러들어가는 전하량과 흘러나오는 전하량은 같다.
야외 시인성(outdoor visibility)은 빛이 밝은 야외에서 대상물의 존재, 색이나 모양을 인지할 수는 있는 성질이다. 야외 시인성이 좋아야 강한 볕에서도 스마트폰 화면(디스플레이)이 잘 보인다. 휘도는 광원의 단위 면적당 밝기이다. 휘도에 광원의 면적을 구하면 광도가 된다.
개발된 흰색 OLED 전자섬유의 구조상으로 최적화된 에너지 전달과정은 구동 환경에 따른 흰색 발광의 색변화 의존성을 줄여 안정적인 흰색 발광을 보인다.
카이스가 기술의 한계를 뛰어넘어 흰색 OLED 입는 전자 섬유를 구현해 냈다. 웨어러블 기기들이 더 발전할 것이다. 일반인 뿐아니라 척추장애인들과 시각·청각 장애인들까지 웨어러블 기기들로 편리하게 살 때가 다가온다.
