서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 이태우 재료공학부 교수와 우한영 고려대 교수 공동 연구팀이 2차원 그래핀을 투명 전극으로 적용한 최초의 고효율 발광 소자를 개발했다고 6일 밝혔다. 이에 유연 소재 및 용액 공정 기술 발전에 따른 웨어러블 소자의 개발이 가능해졌다.

웨어러블 소자의 기본 요소 중 하나는 센서의 신호를 시각화할 수 있는 스트레처블 디스플레이다. 웨어러블 소자 개발 초기에 모든 장치는 케이블로 연결돼 있고 소자의 부피가 큰 문제로 인해 휴대성이 떨어지는 문제가 있지만 스트레처블 디스플레이는 고유의 신축 특성으로 피부에 부착할 수 있으며, 센서에서 출력된 신호를 실시간으로 확인할 수 있다. 하지만 기존 스트레처블 발광 소자의 문제점 중 하나인 낮은 효율은 은 나노와이어(AgNW)란 전극 물질의 낮은 전하 주입 성능 때문이며, 새로운 소재 개발을 통해 돌파구가 필요한 상황이다.

특히 공기 중에서도 전도도를 높게 유지하면서 전자 주입을 용이하게 하는 스트레쳐블 전극 재료는 전무한 상황이었다.

공동 연구팀은 그래핀층을 은 나노와이어 표면에 적용해 2차원 스트레처블 전극을 개발했다. 그래핀 층을 통해 일함수를 조절할 수 있고, 높은 이동도로 인해 전하 확산을 촉진할 수 있어 은 나노와이어의 본질적 문제를 해결할 수 있다.

또한 이 전극은 양극과 음극 모두 사용하는 것이 특징이다. 지금까지 양극에 대한 연구가 주로 이뤄왔다. 하지만 음극에서는 신축성을 확보하고, 전자 주입에 용이한 반응성이 높은 알칼리 금속을 사용하지 못하므로 효율적인 전자 주입을 구현하기 어려운 점이 난제였다.

하지만 새로 개발한 공액 고분자 전해질을 스트레쳐블 전극 위에 코팅함으로서 공기 중에서도 3.57 eV의 낮은 일함수를 가진 스트레쳐블 전극을 개발했다. 연구팀은 이를 이용해 최고 스트레쳐블 발광 소자 효율인 20.3 cd/A를 달성했다. 또한 전극 기술을 대면적 소자에 적용해 3인치 5 × 5 수동 매트릭스 ISOLED를 시연했다.

이태우 교수는 “그래핀을 이용해 스트레처블 전극 표면 및 계면 개질로 양극과 음극 둘 다 구현했다. 우수한 발광 효율을 갖는 최초의 고효율 스트레처블 발광 소자를 개발했다”며 “이번 연구가 신축성 소자 개발 및 이의 응용에 가이드라인이 될 뿐만 아니라 웨어러블 전자 소자 응용을 위한 신축성 발광 소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.