국내 연구진이 사람의 피부에 붙일 수 있는 양자점 발광다이오드 소자를 개발했다. 상용화될 경우 영화에서처럼 ‘피부 위의 디스플레이’가 현실화될 전망이다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS)의 나노입자연구단 연구팀은 자유롭게 휘어지고 늘어나며, 해상도는 가장 높은 양자점 발광다이오드(Quantum dot light emitting diode, QLED) 소자를 최근 개발했다고 밝혔다.

개발된 소자는 두께가 머리카락의 약 1/40(2.6 μm)에 불과한 초박막 필름 소자로 마음대로 구부리고 늘릴 수 있을 뿐 아니라, 저전압에서도 작동하기 때문에 사람의 피부에 부착시킨 상태에서 사용이 가능하다. 해상도 역시 세계 최고 수준인 2,460 ppi로 유기발광다이오드(OLED)나 액정화면(LCD)을 사용하는 최신 스마트폰의 4 ~ 7배 이상이다. 고해상도 티브이(HD TV)보다는 42배나 높다.

비결은 양자점 나노입자를 기판에 고르게 잘 배열하는 음각 전사-인쇄 기술이다. 이 기술은 넓은 면적에 간단하게 적용할 수 있어 대량생산에도 용이하다.

기술을 개발한 연구진은 “매우 얇고 변형이 자유로운(휘거나 늘리거나 접을 수 있는) 고성능 디스플레이를 만들기 위해 고민하던 중 양자점 발광소자가 이에 적합하리라 생각돼 연구를 시작했다”며 “특히 현재 스마트폰의 해상도(< 600 dpi)를 훨씬 뛰어넘으면서 LCD type이 아닌 자체발광소자(LED type) 특성을 갖는 디스플레이 개발의 필요성이 주요 동기가 됐다”며 연구 동기를 밝혔다.

양자점 발광다이오드는 유기물로 빛을 내는 유기발광다이오드에 비해 진화한 차세대 발광소자다.

나노 크기(10억분의 1m)의 양자점(Quantum dot)이라는 물질을 발광소자로 사용하는 방식이며, 전류를 흘려주면 양자점이 청색, 녹색, 적색 빛을 낸다. 유기발광다이오드에 비해 색 재현율이 우수하고 주변 환경(수분, 산소 등)에 대한 안정성도 높다고 알려졌다. 현재 우리나라를 비롯한 선진국에서 앞 다투어 개발 중이지만 아직 상용화단계에 이르지 못한 상태다.

이번 연구를 주도한 기초과학연구원 현택환 단장과 김대형 연구위원은 “두껍고 휘어지기 어려웠던 기존 웨어러블 기기의 단점을 완전히 해결하면서 초고해상도를 가진 양자점 발광다이오드는 처음 개발된 것”이라며 “이는 발광다이오드 분야에서 미국과 같은 선진국을 앞섰다는 의미로 앞으로 제품 및 생산 공정 기술만 개발하면 양산이 가능하다”고 말했다.

연구진은 이번 성과에 대해 “매우 얇고 변형이 자유로워, 피부에 부착하면 마치 ‘전자문신’처럼 보일 수 있는 양자점 발광소자를 개발한 것”이라며 “새로운 음각전사-인쇄기술을 개발해 RGB 어레이 해상도가 최신 스마트폰과 비교해 4배 이상 높은 초고해상도 디스플레이를 구현한 것에 의미가 있다”고 밝혔다.

또한 “종이와 같이 얇고 파스나 스티커처럼 피부에도 붙일 수 있는 초고해상도 웨어러블 디스플레이로 활용될 수 있다”며 이를 위해 대면적 공정 기술의 개발, 양자점 발광소자의 수명 향상, 양자점 물질의 독성 문제, 양산 공정 개발 등이 실용화를 위해 남아있음을 언급했다.

연구진은 이번 연구 성과와 관련해 올해 초 국내에 특허 출원했으며 국제 특허 출원도 준비 중이다. 이 기술은 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난 5월 14일자로 온라인 게재됐다.