차세대 디스플레이 성능 향상 신소재 개발
공과대학 유기재료공학과 구자승 교수팀이 건국대 이위형 교수, 노스웨스턴대 이정훈 박사, 한국원자력연구원 이준혁 박사 연구팀과 공동으로 중수소를 활용한 새로운 소재 기술을 개발해 차세대 디스플레이 기술의 안정성과 성능을 크게 향상할 수 있는 방법을 제시했다.
이번 연구는 재료 분야 대표 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF: 18.5)에 최근 게재됐으며, 구자승 교수가 교신저자로, 김민송 학생 제1저자로 참여했다.
중수소(Deuterium)는 수소(Hydrogen)의 동위원소로, 원자핵에 중성자가 하나 더 있는 독특한 구조를 가지고 있다. 자연계에 극미량 존재하지만, 이러한 독특한 구조로 인해 첨단 소재 개발에 새로운 가능성을 열어주고 있다. 특히 중수소를 활용한 소재는 차세대 디스플레이 기술 분야에서 전자 소자의 안정성과 성능 향상에 중요한 역할을 하고 있다.
그 예로 2세대 유기발광다이오드(OLED) 기술에서는 발광층의 수소를 중수소로 치환해 내열성을 크게 개선했으며, 이러한 성능 향상은 OLED 수명 연장과 효율 개선으로 연결됐다. 그러나 활성층 합성 단계에서 중수소를 직접 도입하는 기존의 방식은 높은 생산 비용이라는 한계를 갖고 있다.
공동 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 중수소를 도입한 범용 절연성고분자(PMMA, PS)를 유기반도체와 혼합한 뒤, 상분리 구조를 형성함으로써 유기트랜지스터의 성능을 향상시키는 방식을 제안했다.
연구팀은 이를 통해 활성층인 유기반도체에 중수소 직접 도입하는 방식을 사용하지 않아도 고이동도 및 열적 안정성뿐만 아니라, 지속적 전압에 따른 안정성을 동시에 개선했다. 특히, 중수소 기반 고분자 블렌드 소자는 일반 범용고분자 대비 더 우수한 전기적 특성을 보였으며, 고온 환경에서의 안정성, 장기간 전압 인가 시에도 향상된 안정성을 보여줬다.
이번 연구는 기술적으로 중수소 기반 고분자 블렌드 소자 방식이 기존 제조 공정과 호환됨은 물론, 비용 증가를 최소화하면서 고성능과 내구성을 유지할 수 있는 실용적 해결책을 제시하며, 특히, 중수소 치환을 통하면 중성자 가속기를 활용한 반도체와 절연체 계면 분석이 가능해 최적화된 소자 설계가 가능하다.
구자승 교수는 "중수소 치환 발광층 뿐 아니라, 중수소 치환 고분자 블렌드 기반 트랜지스터 기술은 차세대 디스플레이 시장에서 고성능과 안정성을 동시에 제공하며, 특히 유연하고 내구성이 요구되는 응용 분야에서 큰 파급력을 가질 것"이라며, "이번 연구에서 제시된 기술은 차세대 유연 디스플레이의 스위칭 소자 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 중수소 기술을 활용한 혁신은 디스플레이를 넘어 전자 소자 전반의 성능을 재정의하며, 새로운 산업의 새로운 패러다임을 열어갈 것으로 보인다"고 말했다.
