늘어나고 휘는 피부부착형 양자점 LED 첫 개발
스마트폰 비해 해상도 4~7배 높아, 웨어러블 기기 혁신 기대

‘아름답거나, 눈에 띄지 않거나’. 앞으로의 웨어러블 기기 생존전략에 대해 소니 부(Sonny Vu) 미스핏(Misfit) 공동 창업자 겸 최고경영자(CEO)가 최근 한 언론사와 인터뷰에서 내놓은 전망이다. 국내 연구진이 드러냄과 감춤 모두를 만족시킬 신개념 웨어러블 디스플레이 기술을 선보였다.

매우 얇고 유연한 웨어러블 기기를 만들 수 있어, 손목 등에 착용하면 마치 전자문신처럼 직접 피부에서 디스플레이가 구동되는 것으로 보일 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 연구팀이 휘어지고 늘어나는 피부부착형 양자점 발광다이오드(QLED)를 처음으로 개발했다. 매우 얇고 변형이 자유로우며, 해상도가 최신 스마트폰과 비교해서 4배 이상 높아 웨어러블 기기 시장의 판도를 바꿀 것으로 예상된다.

이번 연구를 주도한 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 김대형 연구위원(서울대 화학생물공학부 교수)은 “휘어질 뿐 아니라 늘어나는 양자점 LED를 초고해상도로 구현한 것은 처음이다. 나노물질을 이용하여 개발한 QLED는 피부 부착형 고성능 웨어러블 전자 기기에 광범위하게 사용할 수 있다”고 14일 밝혔다.

양자점 LED(QLED, Quantum dot light emitting diode)는 나노크기(1㎚=10억분의 1m)의 반도체 결정으로 만든 차세대 발광소자다. 양자점에 전류를 흘리면 별도의 장치가 없어도 스스로 빛을 내는데, 크기에 따라 청색, 녹색, 적색 등 여러 색깔로 발광할 수 있다.

특히, 양자점 LED는 유기물질로 빛을 내는 유기발광다이오드(OLED)에 비해 주변 환경(수분, 산소 등)에 대한 안정성이 높고, 색 재현율이 뛰어나 차세대 디스플레이로 주목받아 과학기술계와 전자업체들이 기술 개발에 사활을 걸고 있다. 휘어지는 양자점 LED는 개발되었으나 늘어날 수 있는 소자는 이번에 처음 개발됐다.

연구진은 고해상도 양자점 LED를 구현하기 위하여 기존의 딱딱한 전자 소자 제작 과정과는 다르게 양자점 나노입자를 배열하는 기술을 개발했다.

음각 전사-인쇄 방법은 합성된 고성능 나노 재료들을 구부릴 수 있는 기판에 옮기는 기술이다. 쉽고 간단하게 넓은 면적에 적용할 수 있어 실제 대량생산을 하는 데도 편리하다.

연구진은 이러한 음각 전사-인쇄 기술을 적용하여 삼원색(적색, 녹색, 청색)의 양자점 나노입자를 2,460ppi(pixels per inch)의 초고해상도로 정확하게 배열하는데 성공했다. 기존 HD 디스플레이의 해상도와 비교하면 42배 높고, 최신 스마트폰(갤럭시 S6: 577 ppi; G3: 538 ppi; 아이폰 6: 326 ppi)의 해상도에 비해 4~7배 이상 높다.

또한, 소자가 매우 얇아 피부에 부착할 수 있을 뿐 아니라 저전압에서도 고성능을 보이는 것이 특징이다. 발광소자의 총 두께는 2.6마이크로미터(1μm=1백만분의 1미터)로 머리카락 두께의 40분의 1에 불과하여 마음대로 구부리고 늘릴 수 있으며, 피부, 알루미늄 호일, 둥근 유리나 깡통 등의 다양한 표면에 부착이 가능하다.

무엇보다 이 기술은 기존의 반도체 공정 기술을 일부만 변형시켜 사용할 수 있기 때문에 대량 생산의 가능성이 크다. 연구진은 올해 초 관련 국내 특허를 출원하였고 국제 특허도 출원을 계획 중이다.

최근 갤럭시 기어, 애플워치 등이 출시되면서 웨어러블 기기 시장이 급성장세에 있다. 세계적인 IT기업 시스코(CISCO)에 따르면 전세계 웨어러블 기기 시장은 연평균 50% 이상 성장하고 있으며, 2018년에는 1억 7,000만대 기기가 출시될 것으로 내다봤다. 매출액 기준으로는 15조원에 이르는 시장이 열릴 것으로 전망했다.

이번 연구성과는 과학기술분야 권위지이자 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 5월 14일자로 온라인 게재되었다.

[픽셀기반 양자점 백색광 다이오드]

[피부에 '전자문신'처럼 부착한 양자점 발광다이오드]

[공동 교신저자 현택환 단장(좌)과 김대형 연구위원(우)]

[사물인터넷(IoT)에 활용 가능한 QLED 소자 기술]

[쉽고 간단하게 넓은 면적에 적용할 수 있어 대량생산이 가능]