국내 연구진이 2차원 반도체 물질로 고성능 초박막 트랜지스터를 만들어 피부에 붙여 사용할 수 있는 얇고 유연한 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이를 제작했다.

10일 연세대 전기전자공학부 안종현 교수와 중앙대 화학신소재공학부 김수영 교수팀은 차세대 반도체 소재로 주목받는 아황화몰리브덴(MoS₂) 트랜지스터를 기반으로 휘거나 접을 수 있는 유연한 초박막 OLED 디스플레이를 개발했다고 밝혔다.

유연한 초박막 디스플레이는 입을 수 있는 전자기기 등에 적용하기 위해 활발히 연구되고 있으나 OLED 등 발광소자의 스위치 역할을 하는 반도체 트랜지스터를 얇고 유연하게 제작하는 게 어려워 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

▲ 차세대 반도체 소재인 이황화몰리브덴(MoS₂)으로 만든 트랜지스터를 사용한 초박막 OLED 디스플레이는 두께가 6마이크로미터(㎛=100만분의 1ｍ)로 머리카락보다 얇아 매우 유연하며 90도 이상 각도로 여러차례 접거나 피부에 붙이고 움직여도 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 단단해 부서지기 쉬운 기존 실리콘 및 산화물 반도체 대신 2차원 초박막 형태로 제작할 수 있는 이황화몰리브덴을 이용했다.

이황화몰리브덴은 그래핀(graphene)처럼 원자 한 겹으로 된 2차원 반도체 소재로 유연하고 투명하며 전기 이동도가 우수하다. 하지만 대면적 제작 시 작은 결정입자, 불순물 등으로 전기 이동도가 떨어지고 다른 소재와 접촉하면 저항이 급격히 커지는 문제 등으로 OLED 디스플레이 구동용 트랜지스터로 활용하지 못했다.

연구팀은 새로운 공정으로 고품질 이황화몰리브덴을 합성하고, 산화알루미늄을 이황화몰리브덴 앞뒤에 부착하는 구조로 이황화몰리브덴이 다른 소재와 접촉할 때 생기는 전기저항 증가 문제를 극복했다.

▲ 차세대 반도체 물질인 이황화몰리브덴(MoS₂) 트랜지스터를 기반으로 제작한 초박막 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이가 안정적으로 작동, 글자(M, O,S, 2)를 구현하고 있다.

새로운 구조의 초박막 트랜지스터는 성능이 기존 이황화몰리브덴 트랜지스터보다 약 28배 향상돼 OLED 디스플레이를 성공적으로 구동할 수 있는 것으로 확인됐다.

연구팀은 초박막 플라스틱 기판에 이황화몰리브덴 트랜지스터, OLED로 6마이크로미터(㎛=100만분의 1ｍ) 두께의 초록색 디스플레이(2.5㎝X2.5㎝, 6X6화소)를 제작, 이황화몰리브덴 글자(M,O,S,2)를 구현하는 데 성공했다.

머리카락보다 얇은 이 디스플레이는 매우 유연해 90도 이상 각도로 여러 번 접거나 피부에 붙이고 몸을 움직여도 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐다.

안종현 교수는 "이 연구는 실질적 활용이 어렵다고 여겨졌던 이황화몰리브덴 기반의 반도체가 유연한 웨어러블 디스플레이에 적용될 수 있음을 증명한 것으로 현재 대면적화·컬러화 연구를 하고 있다"며 "이 기술이 피부·옷에 부착하는 건강 모니터링 시스템 등 의료·스포츠 등에 다양하게 활용되길 기대한다"고 말했다.

한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances, 4월 20일 자)에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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