사진 설명=얇은 MoS2 필름에 TFT 어레이를 형성하고, TFT 전극에 R‧G‧B OLED를 증착한 후 캐리어 기판에서 디스플레이를 떼어내 손등에 올린 그림

 신소재공학부 김수영 교수 연구팀이 연세대 전기전자공학부 안종현 교수 연구팀과 공동연구로 2차원 반도체 소자를 활용한 능동방식의 풀컬러(Full-color) 플렉서블(Flexible) 유기발광다이오드(OLED) 개발에 성공했다.

 고려대-연세대 공동연구팀은 2차원 반도체 소자를 이용해서 상대적으로 성능이 우수한 초박막 플라스틱 기판에 박막 트랜지스터 논리회로를 접목해 인체 피부와 옷 등에 자유롭게 부착할 수 있도록 풀컬러 플렉서블 능동방식 OLED를 제작했다.

 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구 지원사업(기초연구실, 리더연구)의 지원으로 수행된 이번 연구는 웨어러블(Wearable) 전자기기 등 미래형 디스플레이 상용화에 성큼 다가선 유의미한 결과로 특히, 플렉서블 디스플레이 중에서 2차원 반도체 소자를 이용한 능동방식의 풀컬러 OLED 제작에 성공한 것은 세계 최초다.

 2차원 반도체 소재인 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2 등은 웨어러블 전자제품의 백플레인 회로에 사용하기에 적합한 독특한 전기적, 기계적 특성을 갖고 있으며, MoS2(이황화몰리브덴)는 웨어러블 애플리케이션에서 스위칭 디바이스로 제작된다.

 MoS2 필름과 트랜지스터 어레이는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)를 사용해 SiO2/Si 웨이퍼에 직접 제작됐으며, 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 캡슐화돼서 만들어졌다.

 높은 캐리어 이동성(>18 cm2V-1s-1) 및 ON/OFF 비율(>107)이 관찰됐고, RGB OLED 픽셀의 광 방출은 4~9V의 gate voltage를 적용해 제어됐다. 2D 반도체 재료와 OLED를 결합한 플라스틱 기판을 이용해 직접 제작함으로써 전기, 광학, 기계적 성능이 뛰어났다.

 이와 함께 MoS2 트랜지스터와 연결된 RGB OLED 픽셀은 데이터와 스캔 라인에 연결했으며 전체 디스플레이 회로는 능동방식으로 작동했다. 트랜지스터의 게이트 신호에 따라 픽셀 전류를 정밀하게 제어해 OLED의 밝기를 변화시켰고, 초박막 디스플레이의 기계적 특성으로 기기 성능 저하 없이 캐리어 유리기판에서 분리한 작동이 가능하게 됐다.

 이번 연구 교신저자인 신소재공학부 김수영 교수는 “기존의 풀컬러 디스플레이가 가지고 있던 색 표현력을 유지하면서도 옷 등에 부착 가능한 구부러짐에 적합하도록 성능을 향상했다는 점에서 의미가 있다”라며 “향후 미래형 웨어러블 디스플레이 상용화의 시점을 더욱 앞당길 것”이라고 내다봤다.

 연구 결과는 국제학술지인 사이언스 어드밴시스(Science Advances)의 7월 8일(현지시간) 온라인판에 게재됐다.  / 공과대학신문