전북대학교 강재욱 교수(유연인쇄전자전문대학원) 연구팀이 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 기반 공정 기술을 통해 차세대 디스플레이용 발광소자와 태양전지 분야에서 대면적·균일 박막 제조와 친환경 공정 확장성을 동시에 입증했다.

강 교수팀은 부산대 진성호 교수팀과 공동연구를 통해 친환경 용매 설계와 계면 공학을 결합한 잉크젯 프린팅 기반 고성능 유기발광소자(PHOLED)를 개발했다. 이 연구는 국제 저명 학술지 『Materials Today』에 게재됐다.

연구팀은 비염소계 친환경 용매를 활용하고, 자기조립 단분자막(SAM) 계면 공학을 적용해 상온·대기(ambient) 조건에서 전 공정을 잉크젯 프린팅으로 구현했다. 특히 커피링 현상을 억제하기 위한 이원(binary) 용매 시스템과 이중(dual) SAM 계면 처리를 통해 인쇄 박막의 균일도를 크게 높였고, 그 결과 대기 공정 잉크젯 인쇄 PHOLED에서 외부양자효율(EQE) 16.8%를 달성했다.

이를 확장한 연구 성과도 나왔다. 연구팀은 한전 전력연구원 김도형 박사팀과의 공동연구를 통해 잉크젯 프린팅 공정 플랫폼을 대면적 페로브스카이트 태양전지로 확장 적용했다. 대면적 박막의 균일도를 향상시키고 태양전지 모듈 수준의 성능을 확보했으며, 해당 성과를 담은 논문은 『Advanced Functional Materials』에 연이어 게재됐다.

또한 인하대 이정환 교수팀과의 공동연구에서는 페로브스카이트 나노결정 기반 LED(PeQLED)의 광추출 한계를 극복하는 새로운 리간드 교환 전략을 제시했다.

이중기능성 리간드(NDSA)를 활용해 발광층의 전이쌍극자모멘트(TDM) 정렬을 개선함으로써 광추출 효율을 기존 16.15%에서 20.09%로 끌어올렸고, 최대 외부양자효율 22.63%를 구현했다. 해당 연구는 『Advanced Materials』에 실렸다.

이번 연구 성과는 디스플레이와 태양전지 핵심 공정 요소인 정밀 패터닝, 대면적 균일화, 용매 친환경성을 하나의 잉크젯 프린팅 공정 플랫폼으로 통합했다는 점에서 의미가 크다.

연구팀은 국내에서 사실상 유일하게 잉크젯 프린팅 공정 기술 자체를 축으로 소재, 계면, 잉크, 장비 조건을 통합적으로 최적화하는 연구 역량을 축적해 왔다고 설명했다.

강재욱 교수는 “잉크젯 프린팅은 친환경·저비용·무접촉·대면적 제조가 가능한 차세대 공정 기술”이라며 “국내에서 잉크젯 기반 광전소자 제조 공정을 체계적으로 연구해 왔고, 한전 전력연구원과의 협력을 통해 실용화 가능성을 한층 끌어올렸다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 한국전력공사의 연구지원을 받아 수행됐다.