▲(왼쪽부터) 이태우 서울대학교 교수, 유리 고고치(Yury Gogotsi) 드렉셀대학교 교수, 주환우 서울대학교 박사, 김현욱 서울대학교 박사과정, 한신정 서울대학교 박사, 장단전(Danzhen Zhang) 드렉셀대학교 박사 © 청솔뉴스 PINENEWS

[청솔뉴스=윤석성 기자]서울대학교 공과대학은 재료공학부 이태우 교수와 미국 드렉셀(Drexel)대학교 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수의 공동 연구팀이 차세대 신축성 발광 소자의 한계를 극복하고 세계 최고 효율의 완전 신축성(fully stretchable) 발광 소자를 개발했다고 밝혔다.

완전 신축성 발광 소자란 모든 구성층이 신축성을 갖는 발광 소자를 뜻한다. 이번 연구 성과는 세계 최고 권위의 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 지난 1월 15일 게재됐다.

웨어러블 기기 시장이 급성장하면서 피부에 직접 부착해 생체 신호를 실시간으로 시각화할 수 있는 웨어러블 디스플레이의 중요성이 높아지고 있다. 하지만 기존 신축성 디스플레이는 주로 딱딱한 비신축성 발광 소자를 신축성 인터커넥트(interconnect)로 연결한 구조를 사용해, 인장 시 접합부 신뢰성이 낮고 피부 밀착성이 떨어지며 표시 화질이 저하되는 한계를 지니고 있었다.

이에 반해 완전 신축성 디스플레이는 소자 자체가 늘어나는 구조이기 때문에 웨어러블 환경에서 고해상도를 유지하며 안정적인 디스플레이 구현이 가능하다.

그럼에도 완전 신축성 올레드(OLED)는 고유 신축성(intrinsically stretchable) 발광층과 전극 기술에서 근본적인 난제를 안고 있었다. 발광층의 경우 유기 반도체에 신축성을 부여하기 위해 부드러운 절연성 탄성체(elastomer)를 첨가해야 하는데, 이로 인해 엑시톤 전달 경로가 끊어져 전하 수송과 엑시톤 에너지 전달, 발광 효율이 모두 크게 저하된다. 전극 역시 기존 올레드에 쓰이는 딱딱한 금속 전극을 사용할 수 없어, 금속 나노와이어를 탄성체 안에 임베딩하는 구조가 연구돼 왔다.

그러나 이 방식은 노출된 나노와이어 간 전하 전달이 원활하지 않고 노출 면적도 제한적이어서, 상부 유기층으로의 전하 주입 효율이 낮았다. 실제로 지금까지 보고된 완전 신축성 발광 소자의 외부양자효율은 약 6.8% 수준으로, 30% 이상이 보고되는 상용 올레드와 큰 격차가 있었다.

공동 연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 ‘엑시플렉스(exciplex) 기반 인광 발광층’과 ‘맥신(MXene)-접합 신축성 전극’을 새롭게 설계했다.

연구팀은 먼저 엑시톤 전달 문제를 해결하기 위해 엑시플렉스 호스트 물질을 도입했다. 기존 신축성 발광층에서는 절연성 첨가제로 인해 근거리 삼중항 엑시톤 전달(덱스터 전달)이 억제돼 효율이 크게 저하됐으나, 연구팀은 엑시플렉스가 삼중항 엑시톤을 단일항 엑시톤으로 변환시켜 장거리 에너지 전달(포스터 전달)을 가능하게 하는 새로운 메커니즘을 통해 신축성과 고효율을 동시에 갖춘 발광층 구조를 세계 최초로 구현했다.

또한 전극 상부에는 금속 탄화물·질화물 계열의 2차원 물질인 맥신을 적용해 우수한 전기전도도와 신축성, 폭넓은 일함수(work function) 조절 능력을 확보함으로써 전하 주입 효율을 크게 향상시켰다. 이는 맥신을 신축성 광전자 소자에 적용한 세계 최초의 사례다.

그 결과 개발된 완전 신축성 올레드는 외부양자효율 17%라는 세계 최고 수준의 성능을 달성했다. 기존 완전 신축성 올레드가 낮은 효율로 상용화가 어려웠던 점을 고려할 때, 이번 기술은 학계와 산업계 모두에서 중요한 전환점으로 평가된다.

또한 높은 인장 변형 조건에서도 밝기와 효율 저하가 거의 없어, 실제 웨어러블 환경에서도 안정적인 구동이 가능함을 확인했다.

이태우 교수는 “완전 신축성 올레드 소자에서 신축성 부여 과정에 필연적으로 발생하던 성능 저하 문제를 발광층과 전극 양 측면에서 동시에 해결할 수 있는 소재적 해법을 제시했다”며, “완전 신축성 올레드가 실험실 수준을 넘어 실제 응용 단계로 진입할 수 있음을 보여주는 성과로, 향후 웨어러블 디스플레이용 발광 소자의 실용화를 크게 앞당길 것”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 서울대학교를 중심으로 미국 드렉셀대학교, 일본 규슈(Kyushu)대학교 등 총 10개 기관이 참여한 공동 연구로 수행됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부가 재원으로 하는 한국연구재단 연구과제(RS-2025-00560490), 선도연구센터(Pioneer Research Center) 사업(RS-2022-NR067540), 나노·소재기술개발사업(RS-2024-00416938)의 지원으로 이루어졌다.

ソウル工科大学材料工学部のイ·テウ教授チーム、完全伸縮性OLED世界最高効率達成··· 外部量子効率17%実現

完全伸縮性オールレッド限界突破··· エクシフレックス基盤の燐光発光層とマキシン-接合伸縮性電極を新たに導入

[チョンソルニュース=ユン·ソクソン記者]ソウル大学工科大学は材料工学部のイ·テウ教授と米国ドレクセル(Drexel)大学のユリ·ゴゴチ(Yury Gogotsi)教授の共同研究チームが次世代伸縮性発光素子の限界を克服し、世界最高効率の完全伸縮性(fully stretchable)発光素子を開発したと明らかにした。

完全伸縮性発光素子とは、すべての構成層が伸縮性を持つ発光素子を意味する。 今回の研究成果は世界最高権威の国際学術誌「ネイチャー」に1月15日に掲載された。

ウェアラブル機器市場が急成長し、肌に直接付着して生体信号をリアルタイムで視覚化できるウェアラブルディスプレーの重要性が高まっている。 だが、既存の伸縮性ディスプレイは主に硬い非伸縮性発光素子を伸縮性インターコネクト(interconnect)で連結した構造を使用し、引張時に接合部の信頼性が低く皮膚密着性が落ち表示画質が低下する限界を持っていた。

これに対し、完全伸縮性ディスプレイは素子自体が増える構造であるため、ウェアラブル環境で高解像度を維持し、安定的なディスプレイ具現が可能だ。

それでも完全伸縮性OLEDは、固有伸縮性(intrinsically stretchable)発光層と電極技術で根本的な難題を抱えていた。 発光層の場合、有機半導体に伸縮性を付与するために柔らかい絶縁性弾性体(elastomer)を添加しなければならないが、これによって励起子伝達経路が切れて電荷輸送と励起子エネルギー伝達、発光効率が全て大きく低下する。 電極もやはり既存のOLEDに使われる硬い金属電極を使用することができず、金属ナノワイヤを弾性体の中に埋め込む構造が研究されてきた。

しかし、この方式は露出されたナノワイヤ間の電荷伝達が円滑でなく、露出面積も制限的であるため、上部有機層への電荷注入効率が低かった。 実際、今まで報告された完全伸縮性発光素子の外部量子効率は約6.8%水準で、30%以上が報告される商用OLEDと大きな格差があった。

共同研究チームはこのような限界を解決するために「エクシフレックス(exciplex)基盤燐光発光層」と「マキシン(MXene)-接合伸縮性電極」を新しく設計した。

研究チームはまず、エクシトン伝達問題を解決するために、エクシフレックスホスト物質を導入した。

既存の伸縮性発光層では絶縁性添加剤によって近距離三重項励起子伝達(デクスター伝達)が抑制され効率が大きく低下したが、研究チームはエクシフレックスが三重項励起子を単一項励起子に変換させ長距離エネルギー伝達(ポスター伝達)を可能にする新しいメカニズムを通じて伸縮性と高効率を同時に備えた発光層構造を世界で初めて具現した。

また、電極上部には金属炭化物·窒化物系列の2次元物質であるマキシンを適用して優秀な電気伝導度と伸縮性、幅広い仕事関数(work function)調節能力を確保することによって電荷注入効率を大きく向上させた。

これはマキシンを伸縮性のある光電子素子に適用した世界初の事例だ。

その結果、開発された完全伸縮性OLEDは外部量子効率17%という世界最高水準の性能を達成した。 既存の完全伸縮性OLEDが低い効率で商用化が難しかった点を考慮すると、今回の技術は学界と産業界の両方で重要な転換点と評価される。

また、高い引張変形条件でも明るさと効率低下がほとんどなく、実際のウェアラブル環境でも安定的な駆動が可能であることを確認した。

イ·テウ教授は「完全伸縮性OLED素子で伸縮性付与過程に必然的に発生した性能低下問題を発光層と電極両側面で同時に解決できる素材的解決法を提示した」として「完全伸縮性OLEDが実験室水準を越えて実際の応用段階に進入できることを示す成果であり、今後ウェアラブルディスプレイ用発光素子の実用化を大幅に操り上げるだろう」と明らかにした。

一方、今回の研究はソウル大学を中心に米国ドレクセル大学、日本九州(Kyushu)大学など計10ヶ機関が参加した共同研究で行われた。 研究遂行は科学技術情報通信部が財源とする韓国研究財団研究課題(RS-2025-00560490)、先導研究センター(Pioneer Research Center)事業(RS-2022-NR067540)、ナノ·素材技術開発事業(RS-2024-00416938)の支援で行われた。

Professor Lee Tae-woo's team from Seoul National University of Science and Technology achieves the world's highest efficiency in fully flexible OLED... External quantum efficiency of 17%

Completely Elastic All-Red Limit... Explex-based phosphorescent light emitting layer and Maxine-junction stretchable electrode introduced

[Cheongsol News = Reporter Yoon Seok-sung] Seoul National University of Technology announced that a joint research team between Professor Lee Tae-woo of the Department of Materials Engineering and Professor Yuri Gogotsi of Drexel University in the U.S. has overcome the limitations of next-generation flexible light-emitting devices and developed the world's most efficient fully stretchable light-emitting device.

A fully stretchable light emitting device refers to a light emitting device in which all layers have elasticity. The results of this study were published on January 15 in Nature, the world's most prestigious international journal.

With the rapid growth of the wearable device market, the importance of wearable displays that can be attached directly to the skin to visualize biometric signals in real time is increasing. However, existing stretchable displays mainly use a structure in which hard non-stretchable light emitting devices are connected by stretchable interconnects, which has limitations in that joint reliability is low, skin adhesion is deteriorated, and display quality is deteriorated during tensile.

On the other hand, since the fully flexible display itself is a structure that increases the device itself, it is possible to implement a stable display while maintaining high resolution in a wearable environment.

Nevertheless, fully stretchable OLEDs had fundamental difficulties in inherently stretchable light emitting layers and electrode technology. In the case of light emitting layers, a soft insulating elastic body must be added to give elasticity to organic semiconductors, which breaks the exciton transmission path, greatly reducing charge transport, exciton energy transmission, and luminous efficiency. Since hard metal electrodes used in conventional OLEDs cannot be used, structures that embed metal nanowires into elastic bodies have been studied.

However, this method had low charge injection efficiency into the upper organic layer because charge transfer between exposed nanowires was not smooth and the exposed area was limited. In fact, the external quantum efficiency of fully stretchable light-emitting devices reported so far was about 6.8%, which was a big gap with commercial OLEDs reported over 30%.

To solve these limitations, the joint research team newly designed 'Exiplex-based phosphorescent light emitting layer' and 'MXene-junction stretchable electrode'.

The research team first introduced an Explex host material to solve the exciton delivery problem.

In the existing flexible light emitting layer, the efficiency was greatly reduced due to the suppression of short-range triplet exciton delivery (dexter delivery) due to insulating additives, but the research team implemented the world's first flexible light emitting layer structure with both flexibility and high efficiency through a new mechanism that enables long-range energy delivery (poster delivery) by converting triplet excitons into single-port excitons.

In addition, Maxine, a metal carbide and nitride-based two-dimensional material, was applied to the upper part of the electrode to secure excellent electrical conductivity, elasticity, and wide work function control, thereby greatly improving charge injection efficiency.

This is the first time in the world that Maxine has been applied to a stretchable optoelectronic device.

The resulting fully stretchable OLED achieved world-class performance of 17% external quantum efficiency. Considering that the existing fully flexible OLED was difficult to commercialize due to its low efficiency, this technology is considered an important turning point in both academia and industry.

In addition, it was confirmed that there is little reduction in brightness and efficiency even under high tensile deformation conditions, so stable driving is possible even in an actual wearable environment.

Professor Lee Tae-woo said, "We have presented a material solution that can solve the problem of performance degradation that inevitably occurred in the process of providing flexibility in fully flexible OLED devices at the same time on both the light emitting layer and the electrode."

Meanwhile, the study was conducted as a joint study involving a total of 10 organizations, including Drexel University in the United States and Kyushu University in Japan, centering on Seoul National University. The research was conducted with the support of the Korea Research Foundation Research Project (RS-2025-00560490), Pioneer Research Center Project (RS-2022-NR067540), and Nano-Material Technology Development Project (RS-2024-00416938), which is funded by the Ministry of Science and ICT.