서강대학교 강문성 교수는 한양대학교 김도환 교수, 연세대학교 조정호 교수와의 공동연구를 통해 고밀도 픽셀 환경에서도 신호 간섭 없이 선명한 화질을 구현할 수 있는 초고해상도 OLED 마이크로디스플레이 기술을 개발하여 Nature Electronics (IF 33.7) 에 논문을 게재하였다.

최근 몰입감이 극대화된 확장현실(XR) 기기 구축을 위해 색 재현성 및 명암비가 우수한 고해상도 유기발광다이오드(OLED) 마이크로디스플레이의 개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 그러나, 디스플레이 해상도가 증가함에 따라 근접 픽셀 간 거리가 수 마이크로미터 수준으로 근접하여 전기적 신호 간섭 현상이 일어나 색영역 및 색순도가 감소되는 문제가 존재해왔다.

전기적 신호 간섭은 주로 픽셀 간 공유된 정공전달층(hole transport layer)에 의해 유발되며, 이는 발광 픽셀에 주입된 전하가 인접 비활성 픽셀로 이동할 수 있는 경로를 제공하여 누설전류를 발생시키게 된다. 또한, 해상도가 지속적으로 증가됨에 따라 픽셀 간 간격은 더욱 줄어들어 누설전류가 더 심각해지기 때문에 정공전달층을 정밀하게 패턴하여 개별적으로 독립된 픽셀을 구현하는 것이 필수적으로 요구된다.

그러나, 정공전달소재로 주로 사용되는 OLED 핵심 소재인 저분자 유기반도체의 경우 소재의 낮은 내구성 및 효과적인 고해상도 패턴 방법론의 부재로 인해 초미세픽셀 구현은 아직 해결하지 못한 난제로 남아있다. 따라서, 초고해상도 OLED 디스플레이의 픽셀 간섭을 억제하기 위해서는 초미세패턴 공정에 상용성이 높은 새로운 저분자 유기반도체 소재 설계와 이에 따른 효과적인 초고해상도 패턴 방법론이 필요한 실정이다.

공동연구팀은 OLED 정공전달층으로 활용되고 있는 가교형 저분자 유기반도체에 실리콘(Si-O-Si) 네트워크 분자를 도입하여 초고해상도 패턴 공정인 포토리소그래피 및 반응성 이온 식각법을 통해 정밀한 비등방성 식각 거동 구현이 가능한 실리콘 결합형 저분자 정공전달층을 개발했다.

해당 소재는 10,000 ppi 이상의 초고해상도 픽셀 어레이를 6인치 웨이퍼 스케일의 대면적에서도 정밀하게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 실리콘 분자의 농도 조절을 통해 에너지 레벨 수준 및 전하전달 속도를 제어함으로써 OLED 소자의 발광 효율 향상을 동시에 확보 가능했다.

나아가, 실리콘 결합형 정공전달층을 정밀하게 패턴하여 고해상도 OLED 픽셀 어레이를 개발하고, 이를 통해 전기적 픽셀 간섭 현상을 광학적 및 정량적으로 규명했다. 픽셀화된 정공전달층 기반 OLED 소자의 경우 해상도 증가와 상관없이 감소된 누설전류를 보였으며, 이로 인해 전기적 신호 간섭으로 인한 근접 픽셀 발광현상이 억제됨을 증명하였다.

이러한 결과는 디스플레이 해상도가 증가할지라도 초고해상도로 패턴화된 실리콘 결합형 정공전달층이 픽셀 간섭 현상을 효과적으로 완화할 수 있음을 나타내며, 이는 저분자 정공전달층 소재의 신개념적 설계 및 마이크로리소그래피 패턴 방법론이 차세대 디스플레이 분야에 응용될 가능성이 높다는 것을 시사한다.

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/mskanggroup/

논문 링크: Microlithography of hole transport layers for high-resolution organic light-emitting diodes with reduced electrical crosstalk | Nature Electronics