투명전극층 없앤 고휘도 전계·기계 동시 발광 소자 개발


[아이뉴스24 최상국 기자] 대구경북과학기술원(DGIST) 정순문 박사 연구팀이 발광층 내부에 전극을 삽입한 새로운 발광소자 구조를 제안했다.

연구팀이 개발한 구조는 발광층을 샌드위치처럼 감싸는 전극층을 없앰으로써 빛이 전극을 투과할 필요가 없이 직접 방출돼 높은 휘도를 구현할 수 있다. 또한 투명전극층으로 인한 신축성 제한요인을 없애 다양한 변형에도 밝기와 내구성이 뛰어난 유연한 발광소자를 제작할 수 있다.

연구팀은 "기존 방식의 한계점을 극복한 고휘도, 저비용, 신축성 발광소자 제작이 가능해져 외부의 환경변화에 강한 전광판과 현수막 등 다양한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

새로 개발된 인플레인(in-plane)전계발광소자의 개략도 및 발광양상을 보여주는 그림. 신축성과 전기전도성을 동시에 지닌 패턴된 은나노와이어의 얇은 가닥들을 ZnS:Cu/PDMS 발광층 내부에 면내방향으로 삽입시킴으로써 빛이 발생하는 구조 (그림 a). 특히 ZnS:Cu/PDMS 구조는 전계 뿐만 아니라 기계적 변형에 의해서도 빛을 발생시키는 기계발광 재료이므로 전계와 기계적 변형을 동시에 가했을 경우 두 종류의 빛이 동시에 발생할 수 있다. 따라서 소자에 전계만 가했을 경우에는 은나노와이어 전극이 내부에 삽입된 부분에서만 전계발광이 발생하며 (그림 b) 전계 및 기계적 인장운동을 동시에 가했을 경우에는 전계 및 기계발광이 동시에 발생한다. (그림 b) [사진=DGIST ]

고체에 강한 전계를 가했을 때 발광하는 현상을 전계발광이라고 한다. 이를 발생시키기 위해 기존에는 발광층을 샌드위치 형식으로 평행하게 둘러싸는 두 개의 평면전극을 활용하는 수직전계 (vertical E-field) 방식을 활용했다. 전극 재료로는 대부분 금속 및 인듐 주석 산화물을 사용한다. 하지만 이러한 전극들은 신축성이 많이 떨어지기 때문에 늘어나면서도 빛을 안정적으로 방출하는 발광소자를 제작하는데 큰 걸림돌이 되어 왔다.

이러한 한계점을 극복하기 위해 연구팀은 발광층 내부에 얇은 막대 형태의 은 나노와이어 전극을 발광층과 평행하게 삽입시켜 면내전계 (in-plane E-field)를 발생시켰고 이를 통해 안정적으로 고휘도 빛을 방출시키는 소자를 개발했다. 발광층 내부에서 발생된 빛이 전극을 통과할 필요가 없고 발광층을 두껍게도 활용할 수 있어 평면전극 기반의 기존소자에 비해 3.8배 이상 휘도가 향상됐다.

이번에 개발된 면내전계 기반 발광소자에는 정 박사 연구팀이 세계최초로 학계에 보고했던 황화아연(ZnS)과 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)의 혼합물을 발광소재로 적용했다. 이 소재는 전계발광과 기계발광을 동시에 발생시킬 수 있다. 기계적인 변형이 가해질 때 빛이 발생하는 기계발광효과는 외부전원이 공급되지 않는 곳에서도 사용가능한 새로운 형태의 발광소자응용을 기대할 수 있다.

연구팀은 이 기술의 실용화를 위해서는 해상도 및 구동전압의 문제를 해결하기 위해 전극의 간격 및 깊이를 더욱 조밀하게 조절할 수 있는 공정개발이 필요하다고 밝혔다.

정순문 박사는 “이 발광소자는 고가의 증착공정이나 패터닝 공정을 필요로 하지 않고 외부의 다양한 환경에도 강한 내구성을 보여주고 있다. 향후 보다 정밀한 전극 패턴디자인을 통해 실생활에 적용시킬 수 있는 소자를 개발하려고 한다”고 말했다.

정순문 DGIST 에너지융합연구부 책임연구원(왼쪽)과 송성규 전임연구원(1저자)[사진=DGIST ]

이 연구 결과는 세계적 응용물리 국제학술지인 어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews) 최신호에 게재됐다. (논문명 : Bright and uniform light emission from stretchable, dual-channel energy conversion systems: Simultaneous harnessing of electrical and mechanical excitations)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)







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