전북대학교 강재욱 교수(유연인쇄전자전문대학원) 연구팀이 잉크젯 프린팅 기반 공정 기술을 활용해 차세대 디스플레이용 발광소자와 태양전지 분야에서 대면적·균일 박막 제조와 친환경 공정 확장 가능성을 입증했다.

잉크젯 프린팅은 기능성 잉크를 미세 노즐로 분사해 원하는 위치에 패턴을 형성하는 공정으로, 소재 사용량을 줄이고 대면적 제조에 유리한 것이 특징이다. 반도체·디스플레이 분야에서는 차세대 저비용 공정으로 주목받고 있다.

강 교수팀은 부산대 진성호 교수팀과의 공동연구를 통해 친환경 용매와 계면 공학을 결합한 잉크젯 프린팅 기반 유기발광소자(PHOLED)를 개발했다. 유기발광소자는 인광 물질을 이용해 전기 에너지를 빛으로 변환하는 발광소자로, 기존 방식보다 에너지 효율이 높다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘Materials Today’에 게재됐다.

연구팀은 비염소계 친환경 용매를 사용하고, 자기조립 단분자막(SAM)을 적용해 상온·대기 조건에서 전 공정을 잉크젯 프린팅으로 구현했다. 자기조립 단분자막은 분자가 스스로 정렬돼 형성되는 얇은 계면층으로, 전극과 발광층 사이의 전하 이동을 안정화하는 역할을 한다.

또 잉크가 가장자리로 쏠리는 커피링 현상을 억제하기 위해 이원 용매 시스템과 이중 자기조립 단분자막 처리를 적용해 박막 균일도를 높였다. 그 결과 대기 공정 잉크젯 인쇄 유기발광소자에서 외부양자효율(EQE) 16.8%를 달성했다. 외부양자효율은 주입된 전자 대비 실제 방출된 빛의 비율을 나타내는 성능 지표다.

이 공정 플랫폼은 태양전지 분야로도 확장됐다. 연구팀은 한국전력공사 전력연구원 김도형 박사팀과 공동으로 잉크젯 프린팅 공정을 대면적 페로브스카이트 태양전지에 적용해 박막 균일도를 개선하고 모듈 수준의 성능을 확보했다. 페로브스카이트 태양전지는 높은 변환 효율과 공정 단순성으로 차세대 태양전지로 평가받고 있다. 해당 성과는 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.

또 인하대 이정환 교수팀과의 공동연구에서는 페로브스카이트 나노결정 기반 LED(PeQLED)의 광추출 효율을 개선하는 리간드 교환 전략을 제시했다.

연구팀은 이중기능성 리간드(NDSA)를 적용해 발광층 내 전이쌍극자모멘트(TDM) 정렬을 개선했고, 그 결과 광추출 효율은 16.15%에서 20.09%로, 최대 외부양자효율은 22.63%까지 향상됐다. 관련 논문은 Advanced Materials에 실렸다.

이번 연구는 디스플레이와 태양전지의 핵심 공정 요소인 정밀 패터닝, 대면적 균일화, 용매 친환경성을 하나의 잉크젯 프린팅 공정 플랫폼으로 통합했다는 점에서 의미가 있다. 연구팀은 소재·계면·잉크·장비 조건을 함께 최적화하는 공정 연구 역량을 축적해 왔다고 설명했다.

강 교수는 “잉크젯 프린팅은 친환경·저비용·무접촉 방식으로 대면적 제조가 가능한 공정”이라며 “공동연구를 통해 실험실 수준을 넘어 실용화 가능성을 한층 끌어올렸다”고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자 지원사업과 한국전력공사의 연구 지원을 받아 수행됐다.