휴대용 및 차량용 디스플레이 등에 적용 기대
현재 사용되고 있는 유기발광다이오드(OLED: Organic Light Emitting Diode) 기반 디스플레이는 센서와 디스플레이가 분리되어 있으나, 이번에 개발된 유기발광보드(OLEB: Organic Light-Emitting Board)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.
여기서, 유기발광다이오드 기반 센서 디스플레이는 유기자체발광 기반의 디스플레이와 센서가 결합된 차세대 장치이며, 유기발광보드는 자체 발광 유기소재를 사용하지만 기존의 OLED와 구분하여 디스플레이가 전도를 띄는 자극을 센싱하고 이를 동시에 디스플레이할 수 있는 새로운 소자 기술을 말한다.
인체정보 감지와 표시를 동시에
사물과 사물을 디지털 신호로 연결하는 사물인터넷(IoT) 및 만물인터넷(IoE) 시대에 센서, 디스플레이 시장은 지속적으로 성장할 것으로 예상되며, 인체 정보감지 기술 기반의 전자피부(e-skin) 구현이 필요해짐에 따라 센서 및 디스플레이 기술이 하나로 통합되어 인간-전자기기 간의 직접적 상호작용이 가능한 인터렉티브 디스플레이 기술이 연구되고 있다. 여기서 인터렉티브 디스플레이란, 생체정보와 같이 실시간으로 변화하는 정보를 동시에 표시하고 시각화하는 디스플레이를 말한다.
지금까지 스마트 디바이스 기술은 외부자극에 반응하는 센서와 이를 받아들여 표시하는 디스플레이 기술로 구분되어 있었다. 그러나 최근의 디스플레이 기술은 기존 TV와 같은 디스플레이와 달리, 인체정보를 감지하고 이를 디스플레이하는 새로운 기능의 디스플레이를 지향한다. 이 경우 인체정보를 감지하는 센서 소자, 감지된 신호를 처리하는 마이크로프로세서 신호처리 소자, 처리된 신호를 표시하는 디스플레이 소자가 필요하다.
이처럼 복잡한 구조로 인해 디스플레이의 대면적, 유연성 및 인체정보감지 등과 같은 새로운 기능 기술 구현에 어려움이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 분리된 소자를 하나로 통합해 인체정보를 감지함과 동시에 직접적으로 화면에 표시할 수 있는 디스플레이 기술 개발의 필요성이 커졌다.
전도 정보를 감지하고 표시하는 디스플레이 개발
연세대 박철민 교수 연구팀은 디스플레이가 자체적으로 지문 등 전도(재료를 통해 전기가 흐르는 정도)를 띄는 인체 정보를 즉각 감지하여 화면에 표시하는 차세대 디스플레이 핵심 기술을 개발했다.
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 구성되어 있는 디스플레이와 비교했을 때 구조의 간소화, 기능성, 다양한 응용성을 갖고 있다. 이와 같이 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 구현한 것이다.
유기발광보드는 기존의 신호감지-신호처리-신호디스플레이 역할을 하는 세 개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 공정을 획기적으로 단순화했을 뿐 아니라, 이를 통해 기계적 유연성을 가진, 매우 얇은 소자를 구현했다.
유기발광 보드의 구조는, 먼저 기판 위에 두 개의 하부전극이 분리되어 위치한다. 그 위로 발광을 담당하는 유기발광층(주입되어 오는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛으로 발광하는 층), 발광 성능 향상을 담당하는 기능층이 적층되고, 그 위에 절연체층(전류가 통하지 않는 물질로 이루어진 층)이 놓인다. 구동 원리는 두 개의 하부전극에 교류(시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류) 전류가 가해진 상태에서 절연체층 위에 상부전극(소자의 상부에 있는 전도성 박막)이 놓이면 소자에 형성된 전기장에 의해 유기발광층에서 자체발광이 일어난다.
연구진이 개발한 교류전계 기반 유기발광보드(OLEB)는 교류에 의한 전기장을 기반으로 구동된다는 점에서 직류(항상 일정한 방향으로 흐르는 전류) 기반의 OLED 기술과 구분되며, 상부전극으로 사용되는 다양한 전도재료에 따라 교류전압이 달라지고 이로 인해 발광 정도를 조절할 수 있다.
일반 가정에서 사용되는 장치들은 모두 교류전압에 의해 구동되므로 직류 기반 소자를 교류전압으로 전환시켜 주는 과정이 필요하지만, 유기발광보드는 이러한 전환 과정을 거치지 않기 때문에 전환되는 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있어 고효율 소자를 개발할 수 있다.
유기발광보드의 경우 전기 전도성을 가진 물질이라면 상부전극 역할을 할 수 있기 때문에, 다양한 전도재료를 즉각 감지하고 동시에 발광할 수 있다. 연구진은 전도성을 가진 사람의 손가락 또한 유기발광보드에 접촉되었을 때 즉각적으로 자체 발광한다는 사실을 발견하고, 이를 통해 지문을 유기발광보드에 발광시키는 데 성공했다.
▲ 그림 1. 지문 접촉 발광 센서로서의 성능과 이미지
광고용 스마트 윈도 등에 적용
지문과 같은 전도를 띄는 인체 정보를 디스플레이가 자체적으로 감지하고, 감지정보를 시각화하는 기술이 개발되었다. 개발된 디스플레이는 전기적 신호 처리가 단순해짐에 따라 얇고 유연하게 제작 가능하다.
개발된 유기발광 보드는 전도성을 지닌 연필을 이용해서 유기발광보드(OLEB) 위에 자유롭게 글을 쓰고 자체발광을 통해 표시할 수 있는 기능을 갖고 있으며, 작성된 전도성 글씨를 화학적으로 지우고 다시 다른 정보를 쓸 수 있어 재기록이 필요한 글씨 쓰기, 그림 그리기 등에 활용될 수 있다. 또한 이 기술은 향후 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도 등 차세대 디스플레이 산업 등에 적용될 수 있을 것으로 기대되며, 개인이 직접 디자인하고 표시가 가능한 커스터마이즈 디스플레이와 같은 산업에도 널리 활용될 것으로 전망된다. 여기서, 커스터마이즈 디스플레이란, TV와 같이 일괄적 내용의 디스플레이가 아닌, 사용자 중심으로 정보를 활용하고 표시하는 디스플레이를 의미한다.
그리고 지문으로 대표되는 전도성 감지뿐만 아니라, 향후 청각 등 타 감각 정보의 감지/디스플레이 소자 기술로의 확장이 기대된다. 이를 통해 차세대 휴대용 및 차량용 디스플레이, 미디어 파사드 등 광범위한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다. 미디어 파사드는 미디어(Media)와 건물의 외벽을 뜻하는 파사드(Facade)가 합성된 용어로, 건물 외벽에 다양한 콘텐츠 영상 등을 투사하는 것을 뜻한다.
박철민 교수는 “이 연구를 통해 지문과 같이 전도를 띄는 생체정보를 감지하면서 동시에 이미지로 표시할 수 있는 새로운 개념의 차세대 디스플레이를 개발했다. 기존 연구와 달리 감지와 표시가 통합적으로 이루어지는 교류 전계 기반으로 개발함으로써 기술적 원천성을 확보했다. 향후 디스플레이와 관련된 추가 연구개발을 통해 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
