보도자료

2023. 9. 27 (수) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

피부처럼 늘어나는 고해상도 공감각 디스플레이 개발했다

UNIST 최문기 교수팀, 고해상도 스트레쳐블 디스플레이 패터닝 기술 개발
이중 암호화 소자 제작 및 안정성까지 입증… Adv. Funct. Mater. 게재

피부처럼 늘어나고 소프트한 고해상도 디스플레이 제작 기술이 개발됐다. 자체 신축성을 가지고 소리와 빛을 동시에 발생시켜 차세대 디스플레이로써 웨어러블 기기나 모바일, 사물인터넷(IoT) 등에서 유용할 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과의 최문기 교수팀은 ‘스탬프의 표면제어로 스트레쳐블 발광층의 고해상도 패터닝 기술’을 개발했다. 이 기술로 만든 스트레쳐블 발광 소자는 신축성을 지니는 동시에 빛과 소리를 발생시킨다.

최문기 교수는 “차세대 디스플레이 수요가 증가하고 있으나, 기존에 사용됐던 발광 소자는 패터닝 공정을 적용하기 힘들어 ‘표면 에너지 제어를 통한 발광층 전사 기술’을 개발했다”고 전했다.

연구진은 개발한 기술을 바탕으로 시각 및 청각을 이용해 방화벽을 해제할 수 있는 ‘시·청각 이중 암호화 소자’도 선보였다.

패터닝은 기판에 원하는 회로나 모양을 가공하는 행위다. 연구진이 개발한 기술은 패터닝된 발광층을 전극 위로 복사해 패턴을 얻는다. 기존의 기법을 테이프처럼 뗐다 붙였다 할 수 있는 점탄성 스탬프 위에서 진행한다. 필름이 안정적으로 부착돼 작은 크기의 패턴도 왜곡 없이 얻을 수 있다.

이를 통해, 최저 150마이크로미터(μm) 선폭의 패턴을 얻을 수 있었고, 반복 공정으로 다양한 색상(파랑, 초록, 하양)의 패턴도 가공이 가능하다. 제작된 소자는 우수한 밝기와 소리 특성을 나타냈고, 5,000번 이상의 변형 실험에서도 95% 이상의 원형을 유지하는 등 안정성을 입증했다.

연구팀은 개발한 기술을 통해 ‘시·청각 이중 암호화 소자’를 제작했다. 시각적으로 암호화된 이미지 코드는 특정 사용자에 의해 전원이 공급될 때 해제될 수 있도록 설계된다. 또한 해킹하기 어려운 아날로그 신호인 소리를 통한 청각 암호화를 도입해 이중 방화벽 시스템 적용이 가능하다.

신소재공학과 최문기 교수는 “이번 연구를 통해 소리와 빛을 동시에 발생시키는 고해상도 디스플레이를 개발했다”며 “웨어러블 스피커 및 이중 암호화 소자, 멀티 QR 구현 등 새로운 기능들을 수행하는 차세대 디스플레이로의 적용 가능성을 확인했다”고 전했다.

이번 연구는 세계적 과학저널 ‘어드벤스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 8월 14일에 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업 지원으로 이뤄졌다.

(논문명: Stretchable High-Resolution User-Interactive Synesthesia Displays for Visual–Acoustic Encryption)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

신소재공학과: 최문기 교수 (052)217-2357

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

현재 차세대 디스플레이로 요구되는 조건들은 자유로운 변형이 가능한 자체적인 신축성과 하나 이상의 역할을 하는 다기능성으로 볼 수 있다. 전기 용량성 발광소자는 신축성 및 기계적 안정성이 뛰어나며 빛과 소리를 동시에 발생시킬 수 있어 차세대 디스플레이로 개발했을 대의 파급력이 상당할 것으로 보인다. 하지만 발광층 내의 탄성체의 함량이 높으므로 기존의 패터닝 방식을 적용하기 힘들어 디스플레이로 제작하기 위한 발광층 패터닝 기술 개발이 필수적이다.

전기 용량성 발광소자의 발광층의 경우 수십 마이크로 두께로 높은 탄성체 함량을 가져 발광 다이오드 등 다른 직류 구동 발광 소자의 패터닝과는 접근 방식이 다르다. 이 때, 종래의 발광층 패터닝 (스크린 프린팅, 어셈블리, 포토 패터닝)의 경우 반복 공정 시 앞선 공정의 발광층 패턴에 의한 단차로 패턴 해상도 한계가 있었고, 물질의 제약으로 인한 낮은 밝기를 보였다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 스탬프 및 발광층에 표면처리를 통하여 계면 에너지 차이를 높여 발광층 전사 기술을 개발하여 전기 용량성 발광소자의 다색 고해상도 패터닝 기술을 구현했다. 스탬프에 표면 에너지를 낮추어주는 자기조립단분자막 처리를 해준 뒤 발광층을 코팅해주었고, 이를 경화시킨 뒤 산소 플라즈마 처리를 해주어 표면에너지를 높여주었다. 따라서 두 계면 사이 높은 에너지의 차로 발광층 전사가 가능하게 되었다. 이때, 전사 과정 중 가해준 열과 압력에 의해 발광층의 밀집화가 진행되어 기존 스핀 코팅 공정 대비 광학적 성능 향상을 보였다. 이 때 제작한 소자는 약 120%의 연신과 5000회가 넘는 반복 변형에도 안정된 빛과 소리를 나타냈다.

이 기술을 스크린 패터닝된 발광층에 적용하여 연속적인 전사에도 발광층 사이 간섭이 없어 고해상도 다색 패터닝이 가능했다. 스탬프와 스텐실 마스크 사이의 정전기적 인력으로 인해 스텐실이 들뜸 없이 부착되어 발광층 잉크가 침투 및 왜곡 없이 패턴 되어 최소 150 마이크로미터(μm) 선폭의 라인 패턴을 얻었고, 약 300 μm의 점으로 이루어진 모자이크 패턴을 보이는 고해상도 공감각 디스플레이를 얻었다.

빛과 소리를 동시에 발생시키는 기능과 고해상도 다색 패터닝 능력을 활용하여 기존 디스플레이의 출력 소자로의 한계에서 나아가 입력 소자로의 활용 방안들을 제시하였다. 먼저 디바이스가 발생시키는 시각적, 청각적 신호를 암호화 해독에 활용하는 이중 암호화 디바이스를 제시했다. 또한, 기존 하나의 정보만 가지고 있는 이미지 코드를 가변적인 청각 신호를 활용하여 여러 개의 링크로 이어질 수 있는 다중 이미지 코드도 보였다.

3. 기대효과

이번 연구로 본연적으로 늘어나는 발광소자의 발광층에 사용 가능한 전사 기술을 개발하여 기존 패터닝 방식의 한계를 극복했다. 또한, 전기 용량성 발광소자에서는 최초로 고해상도 패터닝을 보여 신축 디스플레이로의 활용에 기여하였다. 더 나아가 기존 디스플레이는 주로 출력 소자로 활용되지만, 다기능성을 통하여 종래에 없던 새로운 디바이스로의 응용으로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

[붙임] 용어설명

1. 전기 용량성 발광 소자

전기 용량성 발광 소자는 전류로 구동되는 발광 다이오드와 달리 전기장으로 빛을 발생시킨다. 주로 두 개의 신축 전극 사이에 발광층이 위치한 구조를 가지며, 발광층은 탄성체와 ZnS 발광체 입자의 복합체로 이루어져 있다. 비교적 간단한 발광 메커니즘과 뛰어난 디바이스의 안정성 때문에 본연적으로 늘어나는 발광 소자로 활용한 연구들이 활발히 진행 되어왔다.