▲ 유기발광 보드의 구조와 구동원리 및 기본 성능.

국내 연구진이 기존 디스플레이와는 다르게 하나의 소자에서 지문과 같은 인체 정보를 감지하고, 감지정보를 디스플레이에 시각화하는 일체형 디스플레이 기술을 개발했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 박철민 연세대학교 교수 연구팀이 디스플레이 자체적으로 지문 등 전도를 띄는 인체 정보를 즉각적으로 감지해 화면에 표시하는 디스플레이가 머리카락 1/100 두께(500나노미터)의 차세대 디스플레이 핵심 기술을 개발했다고 지난 4일 밝혔다.

현재 유기발광다이오드(OLED)기반 디스플레이는 외부자극에 반응하는 센서와 이를 받아들여 표시하는 디스플레이로 구분된다. 하지만 최근에는 분리된 소자들을 하나로 통합해 감지와 동시에 직접 표시할 수 있는 디스플레이 개발에 대한 필요성이 커지고 있다.

이에 연구팀은 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향에 변하는 전류에 의해 형성되는 전기장인 교류전계 기반의 유기발광보드(OLEB)를 통해 전도 정보를 감지하고 감지된 정보를 즉시 화면에 표시할 수 있는 디스플레이 기술을 개발했다.

유기발광보드는 기존의 신호감지-신호처리-신호디스플레이 역할을 하는 세 개의 소자를 하나의 소자로 통합함으로써 공정을 획기적으로 단순화하고 이를 통해 기계적 유연성을 갖는 매우 얇은 소자를 구현했다.

유기발광 보드의 구조는 먼저 기판 위에 두 개의 하부전극이 분리돼 위치한다. 그 위로 발광을 담당하는 유기발광층, 발광의 성능 향상을 담당하는 기능층이 적층되고, 그 위에 절연체층이 놓인다. 구동원리는 두 개의 하부전극에 교류 전류가 가해진 상태에서 절연체층 위에 상부전극이 놓이면 소자에 형성된 전기장에 의해 유기발광층에서 자체발광이 일어난다.

연구진이 개발한 교류전계 기반 유기발광보드(OLEB)는 교류에 의한 전기장을 기반으로 구동된다는 점에서 직류기반의 OLED기술과는 구분된다. 더욱 중요하게 상부전극으로 사용되는 다양한 전도재료에 따라 교류전압이 달라지고 이로 인해 발광의 정도가 조절될 수 있다.

일반 가정에 사용되는 장치들은 모두 교류전압에 의해 구동되므로 직류 기반 소자를 교류전압으로 전환시켜주는 과정이 필요하지만 유기발광보드는 이러한 전환 과정을 거치지 않기 때문에 전환되는 과정에서 에너지 손실을 줄일 수 있어 높은 효율의 소자개발이 가능하다.

유기발광보드의 경우 전기 전도성을 가지는 물질이라면 상부전극의 역할을 할 수 있어, 다양한 전도재료를 즉각적으로 감지하고 동시에 발광할 수 있다. 연구진은 전도성을 갖는 사람의 손가락 또한 유기발광보드에 접촉되었을 때 즉각적으로 자체 발광한다는 사실을 발견하고, 이를 통해 지문을 유기발광보드에 발광시키는 것에 성공했다.

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.

연구진은 향후 지문으로 대표되는 전도성 감지뿐만 아니라 청각 등 타 감각 정보의 감지/디스플레이 소자 기술 확장이 기대된다고 밝혔다.

박철민 교수는 “이 연구는 지문과 같은 전도를 띄는 생체정보를 감지하면서 동시에 이미지로 표시할 수 있는 새로운 개념의 차세대 디스플레이를 개발한 것이다. 기존 연구와 달리 감지와 표시가 통합적으로 이루어지는 교류 전계 기반으로 개발하여 기술적 원천성을 확보했다”고 밝혔다.

이어 “향후 디스플레이 관련 추가적인 연구개발을 통해 휴대용 및 차량용 디스플레이, 광고용 스마트 윈도우 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 박철민 교수 연구팀의 연구 내용은 국제적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 4월13일자에 게재됐다.