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유승협 교수, 효율성과 유연성 갖춘 OLED 기술 개발
〈 유 승 협 교수 〉
우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수와 POSTECH 신소재공학과 이태우 교수 공동 연구팀이 손상 없이 반복적으로 휘어지면서 우수한 효율을 갖는 플렉서블 유기발광다이오드 (OLED) 기술을 개발했다.
그래핀, 산화티타늄, 전도성 고분자를 복합 전극으로 활용하는 이 기술로 효율 극대화와 우수한 유연성을 동시에 얻을 수 있어 향후 편의성과 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
최성율 교수, 김택수 교수가 공동 연구팀으로 참여하고 이재호 박사과정 학생, POSTECH 한태희 박사와 박민호 박사과정 학생이 공동 1저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
현재 플렉서블 OLED 기술은 엣지형 스마트폰, 커브드 OLED 텔레비전 등에 사용되지만 플렉서블 OLED를 곡면 형태로 휘게 만든 후 고정 시키는 방식으로만 적용되고 있다.
반복적 휨이 가능한 플렉서블 OLED의 구현을 위해선 소재 및 관련 기술의 지속적 발굴이 중요하다. 특히 반복적으로 휘어질 때 각 구성 요소들이 깨지거나 손상되지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.
그래핀은 얇은 두께를 통한 우수한 유연성 및 전기적 특성, 광학적 투명성을 갖는다. 이 특성들은 OLED에 주로 사용되는 산화물계 투명전극의 쉽게 깨지는 현상을 극복할 수 있는 기술로 각광받고 있다.
그러나 플렉서블 OLED가 주로 쓰이는 웨어러블 기기는 배터리 용량이 제한적이기 때문에 유연성과 동시에 OLED의 효율을 함께 확보하는 것이 중요하다.
OLED는 일반적으로 공진현상(Resonance)(용어설명) 현상을 활용해 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 공진현상을 일으키기 위해서는 일정량 이상의 빛 반사가 발생하는 투명 전극이 필요한데 그래핀만을 투명전극으로 사용하면 반사가 적어 광 효율이 낮다는 한계가 있다.
연구팀은 위의 유연성 및 효율성 문제를 해결하기 위해 기존의 그래핀에 산화티타늄(TiO2)과 전도성 고분자 형태를 결합한 복합 전극층을 개발했다. 이 구조에서 각각의 전극 층은 서로의 단점을 보완해주는 협력적 역할을 해 공진 효과를 극대화한다.
연구팀이 개발한 복합전극 층은 산화티타늄의 높은 굴절률과 전도성 고분자의 낮은 굴절률이 함께 활용된다. 이를 통해 전극으로부터의 유효 반사율을 높여줘 공진현상이 충분히 활용될 수 있다.
또한 전도성 고분자의 낮은 굴절률은 표면 플라즈몬의 손실로 인한 효율 감소까지 줄여준다. 기존 27.4%의 양자효율에서 1.5배 향상된 40.5%의 외부양자효율을 보이는 OLED를 구현했다. 이는 동일 발광재료를 이용해 보고된 그래핀 기반 OLED 중 가장 높은 효율이다.
효율을 향상시키는 구조를 도입하면 유연성 등의 다른 특성이 나빠지는 트레이드 오프 현상이 종종 발생한다. 연구팀은 산화티타늄 막이 구부러질 때 깨짐을 방해하는 자체 특성이 있어 기존 산화물 투명전극보다 4배 높은 변형에도 견디는 것을 확인했다. 이를 이용해 유연성 저하를 최소화하고 성능 극대화에 성공했다.
연구팀의 플렉서블 OLED는 곡률 반경 2.3mm에서 1천 회 구부림에도 밝기 특성이 변하지 않아 높은 성능과 유연성을 동시에 확보할 수 있음을 증명했다.
유 교수는 “분야를 넘어선 융합연구가 아니었다면 이번 연구는 불가능했을 것이다”며 “이번 연구 성과가 플렉서블, 웨어러블 디스플레이나 인체 부착형 센서용 플레서블 광원의 성공에 중요한 기틀을 제공할 것이다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 공학연구센터 사업의 일환인 차세대 플렉서블 디스플레이 융합센터 (CAFDC), 글로벌 프론티어 소프트 일렉스토닉스 연구단, KAIST 그래핀 연구센터, 산업통상자원부의 IT R&D 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 그래핀 복합 전극층 기반 OLED의 동작사진
그림2. 산화티타늄 (TiO2)-그래핀-전도성 고분자 복합 전극 기반 플렉시블 OLED 구조 모식도
2016.06.03 조회수 15011 -
정기훈 교수, 반딧불이 구조 적용한 유기발광다이오드(OLED) 개발
〈 정 기 훈 교수 〉
우리 대학 바이오 및 뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 반딧불이 발광기관 구조의 광학적 역할을 밝혀내고 이를 공학적으로 모사하는데 성공했다.
이를 통해 기존 유기발광다이오드(Organic Light-Emitting Diode: OLED) 보다 발광효율을 향상시킨 반딧불이 모사 유기발광다이오드를 개발했다.
김재준 박사가 주도한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5일자 온라인 판에 게재됐다.
반딧불이는 스스로 빛을 내는 대표적인 자연발광체이며 자연계 내에서 가장 높은 발광효율을 가져 예전부터 반딧불이에 대한 연구가 이뤄졌다.
이전 연구는 주로 발광 원리를 밝혀내는 과정에 집중됐고 상대적으로 반딧불이 발광기관의 광학적 구조에 대한 연구는 활발하지 않았다.
반딧불이의 발광기관은 외피층, 발광세포층, 반사층으로 구성된다. 발광세포층은 빛을 발생시키는 역할, 반사층은 외피층으로 향하지 않는 빛을 반사시키는 역할을 하고 최종적으로 발생된 빛은 외피층을 통해 밖으로 빠져나간다.
이 중 빛을 발생시키는 발광세포층에 대한 연구는 많이 이뤄졌지만 반사층 및 외피층이 어떤 광학 구조를 갖고 어떤 역할을 수행하는지는 명확하지 않았다.
연구팀은 반딧불이의 발광기관 외피에 마이크로 및 나노구조가 결합된 계층적 구조가 있음을 발견했다. 그리고 광학수치해석과 실험을 통해 이 계층적 구조의 역할은 발광세포층에서 발생되는 빛을 효과적으로 추출하면서 넓은 광 분포를 구현하는 것임을 밝혀냈다.
연구팀은 이러한 반딧불이의 광학구조를 OLED에 적용해 기존 OLED가 갖는 문제점을 해결하고자 했다.
OLED는 발생된 빛이 내부에 갇혀 약 20%의 빛만 외부로 추출되는 문제를 갖는다. 연구팀은 반도체공정 및 미세몰딩공정을 이용해 반딧불이의 광학구조를 모사하는데 성공했고, 이를 OLED에 적용해 광 추출 효율을 최대 61%까지 향상시켰다. 또한 계층적 구조를 이용해 기존 OLED보다 넓은 광 분포도를 구현했다.
향후에는 광학구조의 설계 변경을 통한 다양한 광 분포 조절로 OLED 기반 조명 및 디스플레이에 적용이 가능하고 이를 통해 OLED의 발광 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 “반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 광학구조를 성공적으로 모사했고 이를 통해 OLED의 발광효율을 효과적으로 향상시켰다”며 “이 연구를 기점으로 생물발광기관 모사 연구가 활발히 진행될 것으로 기대된다”고 말했다.
정 교수는 “이번 연구는 자연의 신비를 밝힘과 동시에 OLED의 광추출 효율을 높이는 새로운 방법을 제시했다”며 “이 연구가 생물발광체 관련 생체모사연구에 대한 연구자들의 관심을 불러일으킬 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 기존 OLED(좌)와 반딧불이 모사 OLED의 발광 사진(우)
그림2. 반딧불이 사진
그림3. 반딧불이 발광기관에서 발견된 계층적 구조의 전자현미경 사진(비대칭 마이크로구조 위에 나노구조가 형성되어 있음)
그림4. 반딧불이 모사 OLED의 구조
2016.04.26 조회수 13651 -
빛의 속도로 빠른 단방향 광전달 소자 개발
우리 학교 물리학과 조용훈 교수 연구팀은 반도체 나노와이어를 이용해 빛을 한쪽 방향으로만 선택적으로 전달할 수 있는 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 광자 다이오드 구조는 직경이 수백 나노미터에 길이가 수 마이크로미터 정도로 크기가 매우 작아 고집적회로에 사용할 수 있으며 입사광의 편광방향에도 덜 민감해 효과적으로 활용가능하다.
집적회로에서 전자의 흐름을 제어하는 다이오드를 전자 대신 빛을 이용해 구동하는 방식으로 만들면 정보를 초고속으로 처리하고, 전송 손실이 작아지기 때문에 에너지 소비를 줄일 수 있어 꼭 필요한 미래기술이다.
그러나 기존에 비대칭메타물질이나 광결정구조 등을 이용한 기존의 광자 다이오드 방식은 크기가 커서 고집적회로에 적용하기 어렵다. 또 입사광의 편광방향과 입사 각도에 민감해 제한된 환경에서만 사용할 수 있었다.
연구팀은 수 마이크로미터 이하의 질화물반도체 나노와이어를 이용해 양 방향으로 빛이 나오는 강도가 크게 다른 높은 효율의 광자 다이오드를 개발했다.
개발된 반도체 나노와이어는 길이 방향으로 큰 에너지 차이를 보이는데 이는 나노와이어에 형성된 양자 우물의 두께와 양자우물 층의 인듐 함량을 길이 방향으로 연속적으로 제어했기 때문이라고 연구팀은 전했다.
연구를 주도한 조용훈 교수는 “길이 방향으로 나타나는 에너지의 큰 차이는 비대칭적으로 빛의 진행을 일으켜 광자 다이오드로서 작동하게 되는 것”이라며 “집적회로에서 전자 대신에 광자를 활용하면 정보의 전달속도가 빛의 속도에 근접할 정도로 빨라질 것으로 예상된다”고 말했다.
이번 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 9월10일자 표지논문으로 게재됐다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수의 지도를 받아 고석민(제1저자)·공수현(제2저자) 박사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원 사업과 KAIST EEWS 연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐다.
반도체 나노와이어로 만든 광자 다이오드가 광집적회로에 적용된 가상의 모습
2014.09.22 조회수 12116 -
박정영 교수, 핫전자 태양전지 원천기술 개발
- Nano Letters 발표, “에너지 손실을 최소화한 핫전자 태양전지 개발 가능성 열어”-
태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자 태양전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수(41세, 교신저자, 지속가능한 에너지공학기술사업단 해외학자)가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 WCU(세계수준의 연구중심대학)육성사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’ 온라인 속보(9월 14일)에 게재되었다. (논문명 : Surface Plasmon-Driven Hot Electron Flow Probed with Metal-Semiconductor Nanodiodes)
박정영 교수팀은 태양광을 흡수하여 생성되는 핫전자와 표면플라즈몬의 상관관계를 규명하였다.
박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 여기된 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형하였는데, 이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다.
연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰하였다. 이는 표면플라즈몬이 핫전자의 생성을 극대화시키고, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다.
이 연구에는 EEWS 대학원의 이영근 석사과정생 (제 1저자)와 정찬호 박사과정생 (제 2저자) 이 참여하였다.
박정영 교수는 “핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학 및 에너지공학에서 매우 중요하다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.
<그림>표면플라즈몬에 의해서 증폭된 핫전자의 측정을 위한 나노다이오드의 구조
2011.10.06 조회수 19942 -
생체삽입형 바이오센서 기술 개발
-유연한 GaN LED 기술로 암을 진단-
인간의 주름진 뇌에 부착하거나, 혈관 및 척추를 감싼 유연한 LED에서 발생된 빛으로 질병을 진단하거나 치료할 수 있는 일들이 현실로 가까워지고 있다.
우리 학교 신소재공학과 이건재 교수팀이 최근 질화물 반도체 발광다이오드(GaN-LED)를 유연한 기판 위에 구현해내고 LED에서 발생되는 빛이 암의 항원-항체반응에 의하여 감도 차이가 일어나는 것을 확인함으로써 전립선암 항체를 검출하는 실험에 성공했다.
이번 연구를 계기로 유연한 LED에서 발생하는 녹색, 파란색, 그리고 자외선 영역까지의 다양한 파장의 강한 빛을 이용하면 신경세포를 자극할 수 있어 질병을 치료하는 데에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
질화갈륨(GaN)은 적은 에너지로 높은 효율의 빛을 낼 수 있는 반도체로 현재 LED TV, 조명 등 산업 전반에 쓰이고 있으나 깨지기 쉬운 성질을 갖고 있다.
연구팀은 딱딱한 기판에서 성장된 얇은 고효율 GaN-LED를 유연한 플라스틱 기판에 전사하고, 생체 친화적인 재료를 사용한 바이오센서를 개발해 인체와 유사한 조건에 적용할 수 있게 했다.
이건재 교수는 “인체에 삽입된 유연한 LED는 인간 생명 연장과 건강한 삶의 중요한 과제를 해결할 수 있는 흥미롭고 새로운 분야로 꿈같은 일들이 실현될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구결과는 나노 분야의 세계적인 석학이자 최고 권위자인 미국 조지아 공대 왕종린(Wang, Zhong Lin) 교수가 편집장으로 있는 "나노 에너지(Nano Energy)" 9월호 온라인 판에 게재됐다.
관련 연구는 2009년부터 국내외에 다수의 특허가 출원․등록되었고, 지난 3월에는 KAIST를 대표하는 브랜드 과제로 선정되기도 했다.
한편, 이 교수는 논문의 공동책임으로 참여한 ETRI 성건용 박사팀과 생체이식형 라벨프리(Label-Free) LED 바이오센서에 대해 후속 연구를 계속 진행하고 있다.(끝)
<관련 동영상>
생체 친화적이고 유연한 GaN-LED가 빛을 내는 동영상 http://www.youtube.com/watch?v=miqc-o8fOkw
<그림설명>구부러지는 유연한 GaN-LED에서 푸른빛이 발생되고 있다.
2011.09.20 조회수 12770 -
유기발광다이오드 고효율 제조기술 개발
- 용액으로 제조해 값싸며, 대기 중에서 제조할 수 있는 OLED 길 열려
차세대 디스플레이로 각광받는 유기발광다이오드(OLED)의 제조공정이 크게 개선된다.
우리학교 기계공학과 양민양 교수팀은 대기 중에서도 쉽게 제조할 수 있는 고분자 유기발광다이오드를 개발하는 데 성공했다.
연구팀은 음극이나 양극과 같은 금속 전극을 제외한 기능성 층(정공주입층, 발광층, 전자수송층, 전자주입층)을 모두 액상으로 제조할 수 있도록 했다. 이 액상물질은 인쇄기술과 같은 용액공정을 적용할 수 있어 매우 저렴한 비용으로 제조가 가능할 것으로 기대된다.
기존 유기발광다이오드에는 LiF, CsF, Cs2CO3 등과 같은 알칼리․알칼리토금속을 포함하는 물질들이 전자주입층으로 구성돼 있다. 이 전자주입물질들이 음극과 발광층 사이에서 전자가 극복해야 할 전자주입장벽을 낮추어 발광효율을 높이는 역할을 하기 때문이다.
그러나 이 물질들은 대기 중에서 불안정할 뿐만 아니라 1nm(나노미터)정도의 초박막을 진공에서 증착을 통해 막을 입혀야 하기 때문에 대면적으로 얇은 층을 구현하기 어렵다. 또한, 아래층의 표면품질에 소자의 효율이 큰 영향을 받는다는 문제가 있어 모든 층을 용액공정으로 소자를 제조하는 데 어려움이 있었다.
양 교수팀은 5nm의 크기를 갖는 산화아연 나노입자 용액과 암모늄 이온용액을 통해 용액공정의 적용이 가능한 전자수송․주입 복합구조를 제시했다. 이들 용액은 알칼리․알칼리토금속을 전혀 포함하고 있지 않아 대기 중에서 안정해 모든 층을 용액공정으로 제조가 가능해졌다.
특히, 산화아연 나노입자층과 암모늄이온 복합층에 존재하는 암모늄 이온은 일정 이상의 전계를 가하면 발광층과 음극 사이에서 이온들이 전계에 따라 정렬해 계면쌍극자(interface dipole)를 형성한다.
이를 효과적으로 발광층과 음극사이의 전자주입 장벽을 낮추어 알칼리․알칼리 토금속을 사용하지 않음에 의해 발생하는 효율이 저감되는 문제를 극복해 발광효율 10cd/A와 휘도 50000cd/m2의 고성능을 구현했다.
한편, KAIST 양민양 교수와 윤홍석 박사과정 학생이 주도한 이번 연구결과는 권위 있는 학술지인 "어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)"지 12월 14일자 온라인 판에 게재됐고 현재 국내 및 국제 특허 출원 완료됐다.
[그림1] 연구팀이 개발한 고휘도 고발광효율 유기발광다이오드
2011.01.25 조회수 13032 -
양경훈교수팀, 양자효과를 이용한 초고속 IC 세계최초 개발
- 동일 성능 기존 IC 대비 75%의 소비전력 절감 효과 -
KAIST(총장 서남표) 전자전산학과 양경훈(梁景熏, 46) 교수팀은 교육과학기술부 21세기프론티어연구개발사업 중 테라급나노소자개발사업(단장 이조원)의 지원을 받아, 양자 효과 소자인 공명 터널 다이오드(RTD : Resonant Tunneling Diode)를 이용하여, 초고속 통신 시스템의 핵심 부품인 40 Gb/s 급 멀티플렉서 집적회로 개발에 성공했다고 밝혔다.
상온에서 동작하고 기존 소자와 호환이 가능한 공명 터널 다이오드에 2 ㎛ 급 소자 공정기술을 적용해 자체 개발한 이 집적회로는 세계최초로 양자 효과를 이용한 초고속 멀티플렉서로서 나노 전자소자 기술의 실용화 가능성을 제시한 것으로 평가된다.
CMOS, HBT 및 HEMT 등의 전자소자를 이용한 집적회로는 차세대 40 Gb/s 급 이상 통신 시스템의 핵심부품으로 널리 사용되어 왔으나 과도한 전력소모의 문제점으로 인하여 소비전력의 절감이 필수적으로 요구되어 왔다.
연구팀은 디지털 신호를 자체적으로 저장하고 빠른 신호처리가 가능한 공명 터널 다이오드 고유의 부성 미분 저항 특성(NDR : Negative Differential Resistance)을 이용하여, 세계적 반도체 제조기업인 인피니언(Infineon)에서 0.12 ㎛ CMOS 공정 기술을 바탕으로 개발한 40 Gb/s 멀티플렉서(소자 수 42개, 전력소모 100 mW)보다 소자 수는 1/2 이하(19개)로 줄이고 전력소모 또한 1/4(22.5 mW)로 줄이면서 40 Gb/s급 이상에서 동작하는 저전력/초고속 멀티플렉서 집적회로를 개발하였다.
이번 연구에서 개발된 양자 소자를 이용한 회로 설계 기술은 멀티플렉서 이외에, 차세대 초고속 통신 시스템 용의 다양한 디지털 및 아날로그 집적 회로 개발에 응용이 가능한 원천 기술이다. 또한 기존의 HBT, HEMT 등 화합물 반도체 소자 기반 초고속 집적회로의 공정설비를 그대로 이용할 수 있기 때문에 대량생산이 가능하여 향후 차세대 나노/양자 소자 시장을 선도할 수 있는 기술로 기대된다.
이번 연구결과는 5월 26일 프랑스 파리에서 열린 IEEE IPRM 국제학술대회에 발표되었으며 오는 8월 18일, 미국 알링턴에서 열리는 세계적 나노기술 학회인 “IEEE 나노테크놀로지(IEEE International Conference on Nanotechnology)” 학회에서 발표될 예정이다. 이밖에 8월 27일(수) “NANO KOREA 2008”에서도 초청 발표될 예정이다.
2008.06.26 조회수 19194