나노 물질 기반의 웨어러블 전자시스템을 피부에 부착할 수 있는 형태로 구현하는 기술이 개발됐다. 웨어러블 기기 산업의 새 지평을 열어 미래 사회 전반에서 핵심 역할을 할 것으로 기대되는 이번 기술은 차세대 디스플레이 소자 개발에 광범위하게 적용될 것으로 예측된다.

미래창조과학부 산하 기초과학연구원(IBS)의 나노입자연구단 연구팀이 자유롭게 휘어지고 늘어나며, 해상도는 가장 높은 양자점 발광 다이오드(QLED, Quantum dot light emitting diode) 소자를 개발했다.
두께가 머리카락의 약 40분의 1(2.6마이크로미터)에 불과한 초박막 필름 소자로, 마음대로 구부리고 늘릴 수 있을 뿐 아니라 저전압에서도 작동하기 때문에 사람의 피부에 부착한 상태에서 사용이 가능하다. 

이 기술이 상용화되면 영화에서나 봐왔던 ‘사람 손목 피부 위의 디스플레이’가 현실화되는 것이다. 해상도 역시 세계 최고 수준인 2,460ppi로 유기 발광 다이오드(OLED)나 액정 화면(LCD)을 사용하는 최신 스마트폰의 4~7배, 고해상도 티브이(HD TV)의 42배나 된다.

비결은 양자점 나노 입자를 기판에 고르게 잘 배열하는 음각 전사-인쇄 기술에 있다. 넓은 면적에 간단하게 적용할 수 있어 대량 생산에도 용이하다. 양자점 발광 다이오드(LED)는 유기물로 빛을 내는 유기 발광 다이오드(OLED)에 비해 진화한 차세대 발광 소자다. 나노 크기(10억분의 1m)의 양자점(Quantum dot)이라는 물질을 발광 소자로 사용하는 방식으로, 전류를 흘려주면 양자점이 청색, 녹색, 적색 빛을 내는데 유기 발광 다이오드(OLED)에 비해 색 재현율이 우수하고 주변 환경(수분, 산소 등)에 대한 안정성도 높다.

그림 1. 고해상도 음각 전사-인쇄 기술을 이용한 삼원색(적색, 녹색, 청색) 양자점 나노입자의 계층적 패턴 전사

그림 2. 삼원색 픽셀 기반 양자점 백색광 다이오드

그림 3. 웨어러블 전자 패치

현재 우리나라를 비롯한 선진국에서 앞 다투어 개발 중이지만 아직 상용화 단계에 이르지 못한 상태다. 이번 연구를 주도한 기초과학연구원 현택환 단장과 김대형 연구위원은 “두껍고 휘어지기 어려웠던 기존 웨어러블 기기의 단점을 완전히 해결하면서 초고해상도를 가진 양자점 발광 다이오드(LED)는 처음 개발한 것이다. 발광 다이오드(LED) 분야에서 미국 등 선진국을 앞섰다는 의미다. 앞으로 제품 및 생산 공정 기술만 개발하면 양산이 가능하다”고 말했다.

현재 세계 스마트폰, 태블릿 PC 등 중소형 디스플레이 시장 규모는 약 420억달러로 우리나라가 선두를 지키고 있으며, 웨어러블 기기 시장 규모는 약 102억 달러인데 매년 40% 이상 급속한 성장세에 있다.

김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)