KAIST, 액체 금속 기술로 고효율·고휘도·저전압 동시 구현...웨어러블·전자피부·삽입형 의료기기 적용 기대 상용화 앞당겨
늘이면 어두워지던 신축성 디스플레이의 한계를 넘어섰다. KAIST·미국 시카고대·중국 쑤저우대의 공동연구진은 늘려도 밝기가 떨어지지 않는 세계 최고 수준의 신축성 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diode)를 구현했으며, 반복적인 신축 환경에서도 성능 안정성을 입증해 상용화 가능성을 크게 높였다고 밝혔다.
KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 늘어나도 전기가 끊기지 않는 새로운 전극 기술을 개발했다고 3월 3일 밝혔다. 전극은 OLED에서 빛을 내기 위해 전기를 공급하는 핵심 부품이다. 연구팀은‘하이브리드 액체 금속 음극(전자를 공급하는 전극)’을 적용해 성능 저하 없는 차세대 신축성 OLED를 구현했다. 기존 신축성 OLED에서의 음극은 효율적인 전자 공급과 우수한 기계적 신축성을 동시에 만족하기 어려웠다.
연구팀의 해결책은 ‘액체 금속’이다. 연구팀은 머리카락 굵기의 수십 분의 일에 불과한 크기의 작은 액체 금속 입자들을 촘촘히 쌓은 뒤, 그중 표면에 있는 입자들만 터뜨려 하나로 이어진 매끄러운 금속층을 만들었다. 아래에는 여전히 작은 입자층이 남아 있어, 전기는 위의 금속층을 따라 안정적으로 흐르고, 아래층은 고무처럼 늘어날 때 충격을 흡수한다. 그 결과 금속처럼 전기는 잘 통하면서도 고무처럼 자유롭게 늘어나는 전극이 완성됐다. 화면을 늘려도 밝기가 줄어들지 않는 이유다.
이 기술을 적용한 신축성 OLED는 낮은 전압(3.0 V)에서도 빛이 켜지기 시작했으며, 9.5 V(볼트) 구동 시 최대 17,670 cd/m²(제곱미터당 칸델라)의 높은 밝기를 기록했다. 이는 일반 스마트폰 디스플레이의 최대 밝기를 크게 상회하는 수준이다. 투입된 전류 대비 빛이 얼마나 나오는지를 나타내는‘전류 효율’역시 지금까지 보고된 신축성 OLED 가운데 세계 최고 수준(10.35 cd/A)으로, 같은 전류로 더 밝은 빛을 낼 수 있음을 의미한다.
특히 기존 신축성 OLED는 화면을 늘리면 전극이 손상되면서 밝기가 크게 감소하는 문제가 있었지만, 이번 기술은 신축 상태에서도 초기 밝기를 거의 그대로 유지했다. 기존 기술의 가장 큰 약점으로 지적되어 온 ‘신축 시 밝기 저하’ 문제를 크게 개선한 것이라고 KAIST 측은 밝혔다.
또한 여러 차례 반복해 늘리고 줄이는 실험에서도 밝기와 전기적 성능이 안정적으로 유지됐다. 이는 옷처럼 입거나 피부에 부착해 움직이는 상황에서도 고장 없이 사용할 수 있음을 의미한다. 상용화에 중요한 내구성까지 확보한 셈이다.
이번 기술은 웨어러블 디스플레이를 비롯해 소프트 로봇, 전자 피부, 체내 삽입형 의료기기 등 차세대 유연 전자기기 분야 전반에 활용될 것으로 기대된다.
조힘찬 교수는 “신축성 디스플레이의 성능을 제한해 온 전극 소재의 근본적인 문제를 해결했다”며, “이번 하이브리드 액체 금속 음극 기술은 차세대 유연 전자소자의 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이원범 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 2025년 12월 28일 자로 게재되었다. 연구의 우수성을 인정받아 해당 학술지의 인사이드 백 커버(Inside Back Cover) 논문으로 선정되는 성과를 거두었다.
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