고무처럼 늘어나는 QLED 소자 개발…1.5배 늘려도 화질 그대로

신축성이 있고 늘어나도 화질 저하가 일어나지 않는 퀀텀닷 발광소자. IBS 제공

국내 연구팀이 고무처럼 신축성이 있어 1.5배 길이까지 늘려도 화질이 그대로 유지되는 퀀텀닷발광다이오드(QLED) 디스플레이 소자를 개발했다.

기초과학연구원(IBS)은 김대형 나노입자연구단 부연구단장과 현택환 단장 연구팀이 최문기 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 교수, 양지웅 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀과 공동으로 신축성을 지닌 스트레처블 QLED 개발에 성공해 연구결과를 15일 국제학술지 '네이처 일렉트로닉스'에 게재했다고 16일 밝혔다.

접는 폴더블 디스플레이, 돌돌 마는 롤러블 디스플레이를 넘어 새로운 형태의 디스플레이 개발이 활발하다. 차세대 디스플레이 혁신으로 신축성 있게 늘어나는 스트레처블 디스플레이가 꼽힌다.

기존 스트레처블 디스플레이는 신축 과정에서 발광부를 제외한 배선부만 늘어나는 구조였다. 발광부가 늘어나지 않아 화면에서 차지하는 면적이 감소하면 화질이 떨어지고 발광부와 배선부 접촉부의 기계적 신뢰성이 떨어지는 문제가 있었다.

화질 저하 문제 해결을 위해서는 배선부와 발광층이 함께 늘어나는 '본질적 신축성'이 있는 발광소자 개발이 필수다. 이전 연구는 발광물질로 유기전자 복합소재를 활용했지만 이동도 및 색 재현력 측면에서 상용화 수준의 성능에 이르지 못했다.

연구팀은 고해상도 발광소자인 퀀텀닷을 발광물질로 활용하는 새로운 신축성 발광층을 고안했다. 적색(R), 녹색(G), 청색(B)을 표현하는 퀀텀닷과 탄성을 가진 고분자 물질, 정공 전달 소재를 균일하게 섞은 용액을 제작했다. 이어 판을 회전시키며 박막을 형성하는 스핀 코팅 기술로 용액을 균일하게 펴서 40나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 균일한 발광층을 형성했다.

이어 신축성 퀀텀닷 발광층에 적용할 수 있는 고해상도 패터닝 기술도 새롭게 개발해 RGB 3색의 픽셀을 모두 함유한 풀컬러 스트레처블 QLED 디스플레이 소자를 완성했다.

연구팀이 개발한 소자의 최고 휘도(밝기)는 1만5170니트(nits), 구동 전압은 6.2V로 신축성 퀀텀닷 발광소자 중 가장 밝고 효율적이다. 이전까지 가장 우수하다고 보고된 2022년 미국 스탠퍼드대 연구팀이 개발한 소자는 휘도 7450니트, 구동 전압 15V였다.

소자는 양옆으로 잡아당기는 힘이 가해져도 기계적 손상이나 발광 성능 저하가 발생하지 않았다. 최대 1.5배까지 늘려도 소자 내 퀀텀닷 간의 거리에 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 연구팀은 "이 소자로 20인치의 QLED TV를 만든다면 30인치까지 잡아당겨도 동일한 발광 성능을 유지하는 것"이라고 설명했다.

신축에 따른 퀀텀닷 발광소자의 발광 성능. IBS 제공

최문기 교수는 "퀀텀닷 소자의 고해상도·색재현력이라는 장점을 살리면서 신축할 때 성능이 떨어지지 않는 소자를 구현했다"며 "휘도를 높이고 구동 전압을 낮추는 성능 최적화를 진행할 계획"이라고 밝혔다.

연구를 이끈 김대형 부연구단장은 "스트레처블 소자를 활용한 가변형 디스플레이가 차세대 디스플레이 발전의 핵심 트렌드"라며 "접거나 휘는 디스플레이로 구현이 어려운 자동차 내부 곡면 디스플레이 등에 활용해 자유 형상 디스플레이 시대를 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]