기초과학연구원, 피부 부착형 양자점 LED 개발

머리카락 1/40, 해상도는 스마트폰의 4~7배 높아

최근 미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구팀은 자유롭게 휘어지고 늘어나며, 해상도는 가장 높은 양자점 발광다이오드(QLED, Quantum dot light emitting diode) 소자를 개발하였다.

‘사람 손목 피부 위의 디스플레이’ 현실화
두께가 머리카락의 약 1/40(2.6마이크로미터)에 불과한 초박막 필름 소자로 마음대로 구부리고 늘릴 수 있을 뿐 아니라, 저전압에서도 작동하기 때문에 사람의 피부에 부착시킨 상태에서 사용이 가능하다.
이 기술이 상용화 되면 영화에서나 봐왔던 ‘사람 손목 피부 위의 디스플레이’가 현실화 되는 것이다.
해상도 역시 세계최고 수준인 2,460ppi로 유기발광다이오드(OLED)나 액정화면(LCD)을 사용하는 최신 스마트폰(갤럭시 S6 : 577 ppi ; G3 : 538 ppi ;아이폰 6 : 326 ppi)의 4~7배, 고해상도 티브이(HD TV)의 42배나 높다.
비결은 양자점 나노입자를 기판에 고르게 잘 배열하는 음각 전사-인쇄 기술을 개발한 데 있다. 넓은 면적에 간단하게 적용할 수 있어 대량생산에도 용이하다.

초고해상도 양자점 발광다이오드(LED)는 국내 처음 개발
이번 연구를 주도한 기초과학연구원 현택환 단장과 김대형 연구위원은 “두껍고 휘어지기 어려웠던 기존 웨어러블 기기의 단점을 완전히 해결하면서 초고해상도를 가진 양자점 발광다이오드(LED)는 처음 개발한 것이다. 발광다이오드(LED) 분야에서 미국 등 선진국을 앞섰다는 의미다. 앞으로 제품 및 생산공정 기술만 개발하면 양산이 가능하다”라고 말했다.
현재 세계 스마트폰, 태블릿 PC 등 중소형 디스플레이 시장규모는 약 420억 달러로 우리나라가 선두를 지키고 있으며, 웨어러블 기기 시장 규모는 약 102억 달러인데 매년 40% 이상 급속한 성장세에 있다. 연구진은 이번 연구 성과와 관련하여 올해 초 국내에 특허 출원하였고 국제 특허 출원도 준비 중이다.
또한 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 10.742)에 5월 14일자(한국시, 5.14. 18:00)로 온라인 게재되었다.

발광소자 총 두께 2.6μm 머리카락 두께의 40분의 1에 불과
웨어러블 기기들이 중요한 차세대 전자기기로 주목 받음에 따라 이에 적합한 차세대 고해상도 디스플레이의 중요성이 점점 커지고 있다. 그러나 기존에 연구된 웨어러블 발광다이오드들은 너무 두꺼워 변형이 용이치 않고, 저전압에서 성능이 좋지 않다. 고해상도 양자점 디스플레이의 구현을 위해서는 다양한 색상의 양자점들을 잘 디자인하여 배열하여야 한다.
연구단은 기존의 딱딱한 전자 소자의 제작과정과 다른 방법으로, 다양한 색상의 양자점을 소자 내에 적합하게 배열하기 위해 양자점 나노입자에 적합한 고해상도 음각 전사-인쇄 기술 개발하였다. 음각 전사-인쇄 방법은 합성된 고성능 나노 재료들을 구부릴 수 있는 플렉서블 기판에 옮길 수 있는 기술이며, 대면적에 걸쳐 적용할 수 있는 쉽고 간단한 방법이다.
이러한 기술을 이용해 삼원색(적색, 녹색, 청색)의 양자점을 상용화되어 있는 HD 디스플레이의 해상도의 42배에 해당되는 초고해상도로 정확히 배열할 수 있었다.
또한 연구단은 이러한 양자점 나노 입자에 적합한 음각 전사-인쇄 기술을 이용하여, 매우 얇아 피부에 부착이 가능하고 저전압에서도 고성능을 보이는 초고해상도의 발광 다이오드를 개발하였다. 발광소자의 총 두께는 2.6μm로 머리카락 두께의 40분의 1에 불과하여 마음대로 휘고 늘릴 수 있으며, 알루미늄 호일, 피부, 둥근 유리나 깡통 등의 다양한 표면에 부착이 가능하다.

웨어러블 기기 시장의 판도를 바꿀 것으로 기대
나노물질 기반의 웨어러블 전자시스템을 피부에 부착할 수 있는 형태로 구현하는 기술은, 현재 생산되고 있는 웨어러블 기기에서 훨씬 진보한 기술로써 새로운 형태의 웨어러블 기기 산업의 지평을 열어 미래 사회 전반에 걸쳐 핵심적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다.
특히 본 연구를 통해 개발된 기술들은 차세대 디스플레이 소자 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다.

성과를 이룬 연구팀의 일문일답

 이번 성과 뭐가 다른가
매우 얇고 변형이 자유로워, 피부에 부착하면 마치 ‘전자문신’ 처럼 보일 수 있는 양자점 발광소자를 개발하였다. 또한 새로운 음각전사-인쇄기술을 개발하여 RGB 어레이 해상도가 최신 스마트폰과 비교해서 4배 이상 높은 초고해상도 디스플레이를 구현했다.
어디에 쓸 수 있나 종이와 같이 얇고 파스나 스티커처럼 피부에도 붙일 수 있는 초고해상도 웨어러블 디스플레이로 활용될 수 있다.

 실용화까지 필요한 시간은
5년

 실용화를 위한 과제는
대면적 공정 기술의 개발, 양자점 발광소자의 수명 향상, 양자점 물질의 독성 문제, 양산 공정 개발

 연구를 시작한 계기는
매우 얇고 변형이 자유로운(휘거나 늘리거나 접을 수 있는) 고성능 디스플레이를 만들기 위해 고민하던 중 양자점 발광소자가 이에 적합하리라 생각되어 연구를 시작하였다. 특히 현재 스마트폰의 해상도(< 600 dpi)를 훨씬 뛰어넘으면서 LCD type이 아닌 자체발광소자(LED type) 특성을 갖는 디스플레이 개발의 필요성이 동기가 되었다.

 에피소드가 있다면
기존 논문에 보고되었던 스탬핑 방식을 재연해보다가 해상도가 떨어지는 문제가 발생하여 이를 개선하기 위해 노력하던 중 음각 패턴에서 해결책을 찾았다.

 꼭 이루고 싶은 목표는
양산 가능한 초고해상도 웨어러블 QLED 디스플레이

자료출처 | 기초과학연구원(www.ibs.re.kr)

용 어 설 명

양자점 LED(QLED, Quantum dot light emitting diode) : 양자점이란 나노미터 크기의 반도체 결정을 말한다. 반도체 나노 결정은 양자역학적인 독특한 성질을 가진다. 예를 들면 양자점은 크기에 따라 청색, 녹색, 적색 등의 다양한 빛을 발광할 수 있다.

초미세 반도체, 디스플레이, 질병진단 시약 등 다양하게 활용할 수 있다. 양자점 LED는 크기와 전압에 따라 별도 장치가 없어도 자체적으로 빛을 내는 차세대 발광소자다. 유기발광다이오드(OLED)에 비해 장점이 많아 차세대 디스플레이로 주목받고 있다.

발광 다이오드(LED, Light-Emitting Diode) : 빛을 내는 반도체(Diode)라는 뜻으로 반도체 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자를 말한다. 전기에너지를 빛 에너지로 전환하는 효율이 90% 이상으로 높다.

유기발광다이오드는 유기화합물을 자체 발광시키는 소자이다.

나노입자 : 지름이 나노미터 수준의 크기를 갖는 입자이다. 같은 구성성분이라도 일반적인 벌크(bulk) 물질과 완전히 다른 성질을 가진다.

네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지 : 과학기술분야의 세계적인 권위를 갖는 저널이며 피인용지수(Impact Factor)는 10.742(2013)이다.