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Research

전극을 삽입시켜 효율성을 잡은 새로운 발광기술 개발

  • 조회. 109
  • 등록일. 2020.03.25
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 정순문 책임연구원, 전극을 발광층 내부로 삽입한 In-Plane 전계 발광 기술 적용한 발광기술 개발
- 큰 변형에도 밝기 및 내구성 보장돼...추후 다양한 웨어러블 섬유 및 기기 개발에 도움이 될 것으로 기대 

 

교신저자인 DGIST 에너지융합연구부 정순문 책임연구원(좌), 제1저자인 에너지융합연구부 송성규 전임연구원(우)

교신저자인 DGIST 에너지융합연구부 정순문 책임연구원(좌), 제1저자인 에너지융합연구부 송성규 전임연구원(우) ⓒDGIST

 

 DGIST 에너지융합연구부 정순문 박사 연구팀은 새로운 구조의 발광기술을 개발했다. 이를 통해 기존 방식의 한계점을 극복한 발광소자 제작이 가능해져 전광판과 현수막처럼 다양하게 활용되는 발광소자 효율성 개선에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

 발광소자는 발광층에 에너지를 전달하는 전극이 필요하다. 이 때, 기본적으로 사용되는‘평면전극’은 전극이 발광층을 둘러싼 코플라너 구조(Coplanar Structure)로 돼있다. 이는 발광층에서 방출되는 빛이 전극에 가려 소실되는 한계가 있다. 또한 전극의 유연성이 많이 떨어져 유연하면서도 빛을 일정하게 방출하는 발광소자를 제작하는데 장애물이기도 했다.

 이러한 한계점을 극복하기 위해 정순문 박사팀은 기존의 발광소자와 다르게 발광층 내부에 섬유로 된 새로운 종류의 전극을 교차삽입시켰다. 그리고 교차삽입한 전극에서 발광층과 평행하게 발생하는 In-Plane 전계를 이용하는 새로운 발광기술을 개발할 수 있었다. 이처럼 제작된 발광소자는 기존의 발광소자보다도 유연하면서도 안정적으로 빛을 내도록 해 효율성을 대폭 개선했다.

 정 박사 연구팀은 In-Plane 전계를 이용함과 동시에 함께 발광층에 황화아연(ZnS)과 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 이용한 새로운 발광필름을 적용했다. 이를 통해 기계적인 힘을 가해 빛을 발생시키는 기계적 발광(ML)과 전계를 작용시켜 빛을 발생시키는 전계발광(EL)이 동시에 가능하도록 했다. 이는 기존의 발광소자에서는 불가능했던 것으로, 다양한 환경에서도 빛의 세기가 일정하고 효율적으로 유지될 수 있도록 했다.

 이번에 개발된 발광소자는 기존의 발광소자가 갖는 여러 한계점들을 극복할 수 있는 결정적인 실마리를 제공했다. 먼저 정 박사 연구팀이 개발한 발광소자 구조는 전극을 발광층 내부로 삽입시켜 전극이 발광층의 빛을 가리는 기존 발광소자의 단점을 해결했다. 이로써 발광소자의 빛 세기를 높이기 위해 필요한 두꺼운 전극이 도리어 그 사이에 있는 발광층의 빛을 더 가리는 단점도 한꺼번에 해결했다.

 에너지융합연구부 정순문 박사는“더욱 더 다양한 형태 변형에도 일정한 빛을 방출하는 발광소자 개발을 통해 향후 관련 산업계의 패러다임을 바꿔보고자 한다”이라며 “개발한 발광소자를 좀 더 보완한다면 충분히 가능한 목표로, 향후 다양한 형태의 발광섬유와 웨어러블 기기에 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편, 이번 연구 결과는 세계적 재료공학 국제학술지인 머티리얼즈 투데이(Materials Today) 최신호에 게재되었다. 또한 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 중견연구자지원사업과 DGIST의 연구지원으로 진행됐다.

 


   연구결과개요 


Textile-fiber-embedded multiluminescent devices: A new approach to soft display systems
(Seongkyu Song, Bokyung Song, Chang-Hee Cho, Sang Kyoo Lim, Soon Moon Jeong*)
(Materials Today, published on January·February issue, 2020) 

 본 연구 내용은 섬유 기반의 전도성 섬유를 황화아연(ZnS)과 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)의 투명 실리콘 고무 혼합 필름 내부에 삽입시키고 ML(Mechanoluminescence, 기계적 발광)과 EL(Electroluminescence, 전계발광)을 동시에 발생시키는 발광필름 제작을 기반으로 한다. PDMS와 ZnS 혼합체는 기존의 논문 및 특허에서도 잘 알려져 있듯 ML에 효율적인 동시에 EL도 가능한 시스템이다. 특히 EL 구조는 현재까지 평면 전극을 이용, 전극 간 수직 전압에 의해 발광하는 샌드위치 형태의 구조가 대부분 보고됐으며 소자의 유연성을 유지하기 위해 은나노와이어(Silver Nanowire, AgNW) 및 카본나노튜브(Carbon Nanotubes, CNT)을 대부분 사용해 왔다. 하지만 이러한 전극재료들의 경우, 전기전도도를 증가시키기 위해서는 재료의 두께나 양을 늘려야 하고 그에 따라 투과도가 감소하는 문제가 있어 전도도와 투과도의 역관계가 원천적으로 존재할 수밖에 없어왔다. 
 이에 본 연구팀은 (1)섬유전극을 발광체 내부에 평행하게 삽입시키고 수직 전계가 아닌 in-plane 방향으로 가해지는 전계를 통해 EL을 발생시킴과 동시에 (2)발광층의 두께의존성을 해결함으로써 ML 강도 또한 동시에 증대시키는 기술을 개발함으로써 기존 구조의 문제점들을 근본적으로 해결하고자했다. 기존의 평탄한 구조에서는 내부에서 발광된 빛이 한쪽면의 전극을 반드시 통과해야하기 때문에 전극의 투과도가 매우 높아야 하나, 본 연구에서 제안된 전극은 전극이 내부에 존재하고 in-plane 전계를 이용해 발광하기에 투과해야 할 전극이 없고 곧바로 외부로 방출된다는 점에서 매우 효율적이다. 또한 동시에 섬유 고유의 유연한 특성으로 인해 유연성 높은 소자를 제작할 수 있다. 특히 기존 평탄한 구조의 EL소자에서는 강한 전계를 얻기 위해 발광층이 얇아야 하나 이로 인한 ML의 감소가 있을 수밖에 없고, 발광층이 두꺼울 경우 ML의 강도는 증가하나, EL이 약해지는 역관계가 있어왔다. 하지만, 발광층 내부에 가해지는 In-plane field를 이용해 수직 두께가 크게 상관없는 본 연구의 구조에서는 두께를 적정수준 유지함에도 EL과 ML의 강도를 유지시킬 수 있으며 EL과 ML의 두께의존성을 원천적으로 해결할 수 있다. 따라서 본 연구내용에서 제안된 구조는 상기의 평탄전극 구조에서의 문제점을 원천적으로 해결하며, 추후 직물에도 적용가능할 것으로 기대되 그 활용가능성은 매우 넓을 것으로 판단된다. 
DOI : 10.1016/j.mattod.2019.08.004

 

   연구결과문답 


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 평면전극에 기반한 유연 전계발광소자를 제작하기 위해서는 전극의 투과도 및 전기전도도가 다양한 변형에도 유지됨과 동시에 높아야 하기에 제작하기가 어려운 단점이 있어왔으나 본 연구개발에서 제안된 EL 구조의 경우, 파이버 형태의 전극을 발광층 내부에 교차로 삽입(multi-parallel)시키고 수직 전계가 아닌 In-Plane 방향으로 가해지는 전계를 통해 EL이 발생함으로써 투과해야 할 전극이 없고 곧바로 외부로 방출된다는 점에서 기존에 연구되어 온 구조의 단점을 근본적으로 해결하는 구조라 할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

단기적으로는 전광판 및 현수막 등에 쓰일 수 있을 것으로 보이며 해상도 및 구동전압이 더욱 개선될 경우 다양한 형태의 발광섬유 및 웨어러블 기기에 사용될 수 있을 것으로 기대된다

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해상도 및 구동전압의 문제를 해결하기 위해 전극의 간격을 조밀하게 조절할 수 있는 공정개발이 필요하며 이러한 점이 해결된다면 곧바로 실용화가 가능할 것으로 기대한다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?

연구팀은 수년전부터 다양한 특성을 보여주는 유연 전계발광소자를 개발하여 왔으나 변형에 따른 전극의 투과도 및 내구성의 문제로 인해 만족할만한 성능을 보여주지는 못하였다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 광이 전극을 투과하지 않는 현재의 in-plane 전극 구조를 생각하게 되었으며 전극재료로는 전도성 섬유 (conducting fiber)를 사용하게 되었다.  

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 구조는 전계발광뿐만 아니라 기계적발광에도 특화된 발광재료를 사용한다. 특히 두꺼운 발광층에서도 문제없이 발광할 수 있는 구조이기에 강한 기계발광 또한 기대할 수 있으며 이를 통해 다양한 자극 (전기, 굽힘, 늘림 등) 에도 강한 광을 방출시킬 수 있는 발광필름이 개발될 수 있다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

연구팀의 최종 목적은 다양한 형태 변형에도 안정적으로 광을 방출하는 전계/기계 발광 소자를 개발함으로써 유연 발광소자의 패러다임을 바꾸는 것이다. 

 

   그림 설명 

[그림 1] 기존 발광소자 구조와(좌) 전극을 발광층 내부로 삽입한 새로운 발광소자(In-Plane전계 발광구조)(우)

기존 발광소자 구조와(좌) 전극을 발광층 내부로 삽입한 새로운 발광소자(In-Plane전계 발광구조)(우)

(그림설명) 기존 평면전극에 기반한 수직전계발광구조를 갖는 발광소자와 달리 In-plane전계 발광구조를 갖는 새로운 발광소자의 비교. 섬유전극(conducting fiber)을 발광층 내부에 평행하게 교차로 삽입시킴으로써 in-planeAC전계 및 기계적 변형에 의해 발광하는 EL/ML멀티발광 소자 개발함. 이는 발광층 내에서 생성된 빛이 투과해야 할 전극이 없기 때문에 광소실이 적고, 두꺼운 기계발광(ML) 발광필름에도 적용 가능해 고성능의 기계발광(ML) 빛 강도 유지가 가능함. 또한 섬유 자체의 유연성으로 인해 반복된 변형에도 안정적으로 광을 방출함.

 

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