더 얇아진 인체 정보 센싱 디스플레이 원천 기술 개발
휴대용 및 차량용 디스플레이 등 적용 기대
자료제공 : 미래창조과학부
미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)을 수행한 박철민 교수(연세대) 연구팀이 디스플레이 자체적으로 지문 등 전도를 띄는 인체 정보를 즉각적으로 감지하여 화면에 표시하는 차세대 디스플레이 핵심 기술을 개발 했다고 발표했다.
디스플레이 시장의 흐름
최근 디스플레이 기술은 기존의 TV와 같은 디스플레이와 달리 인체정보를 감지하고 이를 디스플레이 하는, 새로운 기능의 디스플레이를 지향한다.
이 경우 인체정보를 감지하는 센서소자, 감지된 신호를 처리하는 마이크로프로세서 신호처리소자, 처리된 신호를 표시하는 디스플레이 소자가 필요하다. 이러한 복잡한 구조로 인해 디스플레이의 대면적, 유연성 및 인체정보감지 등의 새로운 기능 기술 구현에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 분리된 소자를 하나로 통합해 인제정보를 감지와 동시에 직접적으로 화면에 표시할 수 있는 디스플레이 기술 개발의 필요성이 커지고 있다.
즉, 사물과 사물을 디지털 신호로 연결하는 IoT(사물인터넷) 및 IoE(만물인터넷) 시대에 인체 정보감지 기술 기반의 전자피부 (e-skin) 구현이 중요 하다는 의미이다.
이를 위해 센서 및 디스플레이 기술이 하나로 통합된 인간-전자기기 간의 직접적 상호작용이 가능한 인터렉티브 디스플레이 기술이 연구되고 있다.
새로운 디스플레이의 개발 배경
최근 OLED 소자, 전기변색, 감온변색 소자와 다양한 센서 픽셀이 융합된 인터렉티브 디스플레이(지문인식기술, 전도성 및 압력 감지기술 등) 연구가 활발하게 진행되고 있다.
기존의 사용자 상호작용 기반 디스플레이 기술은 모두 외부 정보를 센싱하는 센서와 이를 디스플레이로 변환하는 신호제어 기술이 요구되어, 입력장치(센서) → 신호처리(ADC/Microprocessor/DAC) → 표시장치(디스플레이)로 구성돼 있다. 따라서 복잡한 회로를 바탕으로 하는 마이크로프로세서로 인해 디스플레이의 대면적, 유연성 및 인체정보감지 등의 새로운 기능 기술 구현에 어려움이 있다.
따라서 이러한 기술적 접근 방식은 사용자 상호작용 기반의 차세대 디스플레이 구현에 필요한 실시간 고해상도 정보 감지기술 그리고 구성요소의 최소화를 통한 저비용 공정 기술에 적합하지 않다.
현재 사용되는 유기발광다이오드(OLED) 기반 디스플레이는 센서와 디스플레이가 분리되어 있으나, 이번에 개발된 유기발광보드(OLEB)는 하나의 장치가 센서와 디스플레이를 동시에 담당한다. 이로 인해 전기적인 신호 처리 구조가 단순해져 디스플레이가 머리카락 1/100 두께(500나노미터)로 얇아졌고, 더 유연해졌다. 또한 제작 공정 과정이 줄어들기 때문에 공정비용도 줄일 수 있다.
인체 정보 센싱의 원리
연구팀은 교류전계 기반의 유기발광보드를 통하여 전도 정보를 감지하고 감지된 정보를 즉시 화면에 표시할 수 있는 디스플레이 기술을 개발했다. 유기발광보드는 기존의 신호감지-신호처리-신호디스플레이 역할을 하는 세 개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 공정을 획기적으로 단순화하였을 뿐만 아니라 이를 통해 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자를 구현했다.
유기발광 보드의 구조는 먼저 기판 위에 두 개의 하부전극이 분리되어 위치한다. 그 위로 발광을 담당하는 유기발광층, 발광의 성능 향상을 담당하는 기능층이 적층되고, 그 위에 절연체층이 놓인다. 구동원리는 두 개의 하부전극에 교류 전류가 가해진 상태에서 절연체층 위에 상부전극이 놓이면 소자에 형성된 전기장에 의해 유기발광층에서 자체발광이 일어난다.
연구진이 개발한 교류전계 기반 유기발광보드(OLEB)는 교류에 의한 전기장을 기반으로 구동된다는 점에서 직류기반의 OLED기술과는 구분되며, 더욱 중요하게 상부전극으로 사용되는 다양한 전도재료에 따라 교류전압이 달라지고 이로 인해 발광의 정도가 조절될 수 있다.
일반 가정에 사용되는 장치들은 모두 교류전압에 의해 구동되므로 직류 기반 소자를 교류전압으로 전환시켜주는 과정이 필요하지만 유기발광보드는 이러한 전환 과정을 거치지 않기 때문에 전환되는 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있어 높은 효율의 소자개발이 가능하다.
따라서 유기발광보드의 경우 전기 전도성을 가지는 물질이라면 상부전극의 역할을 할 수 있기 때문에, 다양한 전도재료를 즉각적으로 감지하고 동시에 발광할 수 있다. 연구진은 전도성을 갖는 사람의 손가락 또한 유기발광보드에 접촉되었을 때 즉각적으로 자체 발광한다는 사실을 발견하고, 이를 통해 지문을 유기발광보드에 발광시키는 것에 성공했다.
연구 성과
연구팀은 사용자 정보의 직접적인 시각적 센싱이 가능한 디스플레이를 위해 새로운 발광, 절연소재, 전극 및 소자 구조를 설계 및 개발했다.
특히 터치, 피부 무늬, 음성 등 인체 정보의 직접적 시각화를 통한 감지가 가능한 유기 발광 보드를 개발했으며, 이를 위해 촉각(압력) 및 전도성 반응형 스마트 센서, 이러한 정보를 직접적으로 표시할 수 있는 교류 전계 기반 고감도 발광 소자 기술을 개발했다.
연구팀의 교류 전계 기반 디스플레이는 기존의 복합적인 회로와 광학 소자로 구성돼 있는 디스플레이와 비교해 구조의 간소화, 기능성, 다양한 응용성을 가지고 있다. 이러한 새로운 디스플레이를 유기발광보드라는 새로운 디스플레이 종류로 보고했다. 기존의 디스플레이 개념에서 벗어나 압력과 전도도를 직접적으로 시각화할 수 있는 기술, 그리고 이들 정보를 즉각적으로 표시할 수 있는 디스플레이 기술을 구현했다.
새로 개발된 유기발광보드의 특성은 교류 전계를 이용한다는 점에서 다른 교류 기반 디스플레이와 유사성이 있지만 새로운 소자구조를 통한 발광원리를 제안했다는 점에서 원천성이 있다. 특히 상부전극의 사용에 제한이 없다는 점에서 큰 차별성이 있다.
이와 같은 소자구조를 통하여 디스플레이 소자의 구동이 절연체층 아래로부터 이뤄지는 새로운 플랫폼을 개발했다. 이를 응용하기 위해 다양한 상부 전극이 활용될 수 있음을 확인하였으며, 이를 적용하여 절연체층 위에 전도기반의 다양한 정보의 반복적인 쓰기, 읽기가 가능한 유기발광 보드 기술을 개발했다.
유기발광 보드의 구조는 자유로운 상부전극 적용을 가능하게 하는 활용성과 효율성을 크게 확장시켰다는 장점이 있다. 특히 사람의 손가락 역시 전도성이 있는 도체로 역할을 할 수 있다는 점에 착안하여, 손가락을 디스플레이의 상부전극으로서 접촉할 경우 손가락의 지문 전체가 발광하는 일종의 지문 접촉 발광 센서를 개발했다.
새로운 디스플레이의 예상 활용 분야
연구팀에서 개발한 교류 전계 기반 유기발광 보드는 기존의 디스플레이와는 다른 신호감지와 디스플레이를 동시에 달성한 새로운 소자이다. 특히 개인정보의 감지/디스플레이가 가능하다는 점에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 향후 개인이 직접 디자인하고 표시가 가능한 커스터마이즈 디스플레이와 같은 산업에 널리 활용이 예상된다.
개발된 기술은 투명 디스플레이, 지문 접촉 발광 센싱, 재기록이 가능한 전자보드 등 광범위한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 지문으로 대표되는 전도성 감지뿐만 아니라, 향후 청각 등 타 감각 정보의 감지/디스플레이 소자기술로의 확장이 기대된다. 이를 통해 차세대 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우, 미디어 파사드등 광범위한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
또한 유기발광 보드 위로 전도도를 가지는 유동체의 역동적인 현상을 직접적인 발광을 통해 확인할 수 있는 점이 기존 디스플레이로 구현할 수 없는 차별성을 가지고 있다.
나아가 현재 각광을 받고 있는 OLED기반 공정과의 호완성이 높아 이들 기술과의 융합을 통한 차세대 휴대용, 혹은 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우 등 차세대 디스플레이 산업 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
박철민 교수는 “이 연구는 지문과 같은 전도를 띄는 생체정보를 감지하면서 동시에 이미지로 표시할 수 있는 새로운 개념의 차세대 디스플레이를 개발한 것이다. 기존 연구와 달리 감지와 표시가 통합적으로 이루어지는 교류 전계 기반으로 개발하여 기술적 원천성을 확보하였다. 향후 디스플레이 관련 추가적인 연구개발을 통해 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
박철민 교수 연구팀(연세대)의 연구 내용은 국제적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 4월 13일자에 게재되었다.
