건국대 연구팀, 중수소 활용 신소재 개발…차세대 디스플레이 기술 선도

건국대학교는 이위형 재료공학과 교수(교신저자)팀이 노스웨스턴대학교 이정훈 박사(재료공학과, 제1저자), 충남대학교 구자승 교수(유기재료공학과, 교신저자)와 공동으로 중수소를 활용한 새로운 소재 기술을 개발해 차세대 디스플레이 기술의 안정성과 성능을 크게 향상할 수 있는 방법을 제시했다고 20일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야 대표 권위지인 Advanced Functional Materials(IF = 18.5)에 11월 27일 온라인 게재됐다.

중수소는 수소의 동위원소로, 원자핵에 중성자가 하나 더 있는 독특한 구조를 가지고 있다. 자연계에 극미량 존재하지만, 이러한 구조적 특성 덕분에 첨단 소재 개발에서 새로운 가능성을 열어주고 있다. 중수소는 차세대 디스플레이 기술에서 전자 소자 성능과 안정성을 높이는 데 중요한 역할을 하고 있다.

왼쪽에서부터 임수환 학생(건국대), 이위형 교수(건국대), 이정훈 박사(노스웨스턴대), 김민송 학생(충남대), 구자승 교수(충남대).

유기발광다이오드(OLED) 기술에서는 발광층 수소를 중수소로 치환함으로써 내열성을 크게 향상했고, 이는 OLED 수명 연장과 효율 개선으로 이어졌다. 그러나 활성층에 중수소를 직접 도입하는 기존 방식은 높은 생산 비용이라는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 중수소를 포함한 절연성 고분자(PMMA, PS)를 유기 반도체와 혼합해 새로운 방식의 상분리 구조를 제안했다. 이를 통해 활성층에 중수소를 직접 도입하지 않아도 고이동도와 열적 안정성은 물론, 지속적인 전압에 따른 성능 안정성을 동시에 개선할 수 있었다.

실험 결과, 중수소 기반 고분자 블렌드 소자는 기존 범용 고분자보다 뛰어난 전기적 특성과 고온 환경에서의 안정성을 보였다. 또 장시간 전압을 가했을 때도 성능이 유지됐다. 이 기술은 기존 제조 공정과도 호환됐다.

연구팀은 이번 연구 기술이 차세대 유연 디스플레이의 스위칭 소자 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대했다.

a) 차세대 유연스위칭소자인 유기박막트랜지스터와 유기반도체/고분자 블렌드에서 나타나는 수직 상분리 구조 b) 유기반도체(diF-TES ADT), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 중소수 치환된PMMA 와PS의 분자 구조 c) 범용고분자와 중수소 치환고분자 블렌드 기반 트랜지스터의 스위칭 특성 비교 d) 온도 변화에 따른 트랜지스터 소자의 안정성 특성 e) 장시간 지속적인 전압 인가 시 소자의 전압 안정성 비교 그래프.

연구팀 관계자는 “중수소를 활용한 트랜지스터 기술은 고성능과 안정성을 동시에 제공하며, 특히 유연성과 내구성이 중요한 응용 분야에서 큰 영향을 미칠 것”이라며 “이는 디스플레이 산업을 넘어 전자 소자 성능을 재정의하며, 새로운 산업 패러다임을 열어갈 중요한 계기가 될 것”으로 전망했다.

이번 연구는 건국대 재료공학과 이위형 교수와 충남대 구자승 교수가 교신저자로 참여했다. 제1저자인 이정훈 박사는 건국대학교 유기나노시스템공학과를 졸업한 후 서울대학교 재료공학부에서 박사학위를 받고 현재 노스웨스턴대학교에서 박사후연구원으로 활동 중이다. 또 건국대 임수환 학생과 충남대 김민송 학생이 공동 제1저자로 참여했으며, 중수소 치환에 따른 양자역학적 계산은 건국대 물리학과 이훈경 교수팀이 진행했다.

과학기술정보통신부의 중견연구사업 및 산업통상자원부 지원으로 수행한 이번 연구는 한국원자력연구원의 중성자 산란 실험 협조로 이뤄졌다.