◆ '쭉쭉 늘어나는' OLED가 필요한 이유

최근 웨어러블 전자기기, 전자피부와 같은 차세대 소프트 전자소자의 발전과 함께, 신축 가능한 발광다이오드(intrinsically stretchable LED)에 대한 요구가 급격히 증가하고 있습니다.

하지만 기존 신축 OLED 기술은 신축성 음극의 기계적 불안정성으로 인해 신장 시 전기적 성능 저하가 발생하며, 특히 효율적인 전자 주입, 높은 광학 반사율, 우수한 기계적 신축성을 동시에 만족하는 신축성 음극의 부재로 인해 고성능 구현에 근본적인 한계가 있습니다.

기존 금속 박막 음극은 높은 전기적·광학적 성능을 제공하지만 신축성이 부족하며, 전도성 고분자나 나노소재 기반 신축성 음극은 기계적 유연성은 확보할 수 있으나 낮은 반사율과 높은 저항으로 인해 소자 성능 저하를 야기합니다. 따라서 고성능 OLED 구현이 가능한 새로운 신축성 음극 플랫폼 개발이 필수적인 상황입니다.

◆ '액체 금속'으로 OLED를 만들다?!

KAIST는 신소재공학과 조힘찬 교수 연구팀이 미국 시카고대학교, 중국 쑤저우대학교 연구진과 공동으로 늘어나도 전기가 끊기지 않는 새로운 전극 기술을 개발했다고 3일 밝혔습니다. 전극은 OLED에서 빛을 내기 위해 전기를 공급하는 핵심 부품입니다.

기술의 핵심은 '액체 금속'입니다. 연구팀은 '하이브리드 액체 금속 음극(전자를 공급하는 전극)'을 적용해 성능 저하 없는 차세대 신축성 OLED를 구현했습니다.

연구팀은 머리카락 굵기의 수십 분의 일에 불과한 크기의 작은 액체 금속 입자들을 촘촘히 쌓은 뒤, 그중 표면에 있는 입자들만 터뜨려 하나로 이어진 매끄러운 금속층을 만들었습니다.

아래에는 여전히 작은 입자층이 남아 있어, 전기는 위의 금속층을 따라 안정적으로 흐르고, 아래층은 고무처럼 늘어날 때 충격을 흡수합니다. 그 결과 금속처럼 전기는 잘 통하면서도 고무처럼 자유롭게 늘어나는 전극이 완성됐습니다.

◆ 늘어나도 어두워지지 않는 기술력

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 기록했습니다. 이는 일반 스마트폰 디스플레이의 최대 밝기를 크게 상회하는 수준입니다.

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 의미합니다.

특히 기존 신축성 OLED는 화면을 늘리면 전극이 손상되면서 밝기가 크게 감소하는 문제가 있었지만, 이번 기술은 신축 상태에서도 초기 밝기를 거의 그대로 유지했습니다. 기존 기술의 가장 큰 약점으로 지적되어 온 '신축 시 밝기 저하' 문제를 크게 개선한 것으로 봐야 한다는 평가입니다.

또 여러 차례 반복해 늘리고 줄이는 실험에서도 밝기와 전기적 성능이 안정적으로 유지됐는데, 이는 옷처럼 입거나 피부에 부착해 움직이는 상황에서도 고장 없이 사용할 수 있음을 의미합니다. 상용화에 중요한 내구성까지 확보한 셈입니다.

◆ '유연 전자기기' 실마리 될까?

이번 기술은 웨어러블 디스플레이를 비롯해 소프트 로봇, 전자 피부, 체내 삽입형 의료기기 등 차세대 유연 전자기기 분야 전반에 활용될 것으로 기대됩니다.

한편 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 이원범 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했으며, 해당 연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)'에 2025년 12월 28일 자로 게재됐습니다.

연구의 우수성을 인정받아 해당 학술지의 인사이드 백 커버(Inside Back Cover) 논문으로 선정되는 성과도 거두었습니다.
※ 논문명: Hybrid Liquid Metal Cathode Enables High-Performance Intrinsically Stretchable OLEDs DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202518254