신축성 디스플레이는 웨어러블 전자기기, 스마트 섬유, 인체 밀착형 장치에 대한 잠재적 응용 가능성 때문에 상당한 주목을 받고 있다. 본 논문은 응력 완화 필러(platform) 위에 장착된, 전기적으로 안정적이며 기계적으로 초(超)강인하고 방수성을 갖춘 신축성 OLED 디스플레이(SOLED)를 소개한다. SOLED는 기존 진공 증착, 유기-무기 하이브리드 박막 캡슐화(TFE), 비선택적 레이저 패터닝 공정을 사용하여 박막의 투명 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 위에 제작된다. 이 단순하고 효율적인 공정은 최대 95% 변형률에 이르는 탁월한 신축성과, 50% 변형률 조건에서 100,000회의 신장-해제(stretch-release) 사이클을 견디는 뛰어난 내구성을 갖춘 OLED 디스플레이를 제공한다. 작동 수명과 방수 저장 수명에 대한 측정 결과는 비선택적 레이저 패터닝 공정 이후에도 TFE가 효과적인 보호를 제공함을 확인해준다. 응력 완화 필러 플랫폼에 장착된 3×3 어레이 SOLED 디스플레이 모듈이 성공적으로 구현되었으며, 이는 SOLED 분야에서 방수성을 갖춘 디스플레이 어레이의 작동을 최초로 보고한 사례이다. 본 연구는 신뢰할 수 있는 제작 방법과 기기 설계를 제공함으로써 기계적으로 견고하고 환경에 적응 가능한 디스플레이를 구현할 수 있는 실용적 신축성 디스플레이를 개발하는 것을 목표로 하며, 향후 인체 밀착형 전자기기 및 기타 혁신적 응용 분야에서의 발전을 위한 기반을 마련할 수 있을 것으로 기대된다.

실내 유기 광전지(organic photovoltaic, OPV) 응용의 요구사항을 충족하기 위해, 전하 재결합 손실을 최소화하고 상용적으로 설득력 있는 수준을 향해 광전 성능을 향상시키는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 비(非)풀러렌 블렌드에서 형태(모폴로지) 조절을 통해 실내 OPV의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있음을 입증한다. 형태 조절을 위해, 서로 잘 혼화되는 두 가지 비(非)풀러렌 억셉터를 활용하여 삼원 블렌드를 설계하였으며, 이는 광활성층에서의 형태학적 특성을 개선하고 전하 재결합 손실을 억제한다. 형태 조절은 OPV 성능을 향상시키며, 특히 저강도 실내 조사 조건에서 두드러지게 나타나는데, 이때 광전 성능은 주로 트랩-보조 재결합이 지배한다. 최적의 삼원 OPV는 500 lux 발광 다이오드 조명에서 새로운 기록인 전력변환효율 30.11%를 보였고, AM 1.5 G 동작을 위해 설계된 “기존” 광전 재료를 사용함에도 불구하고 열적 스트레스 하에서 우수한 형태학적 내구성을 함께 나타냈다. 본 연구는 저조도 조건에서 OPV 성능에 대한 형태의 영향을 규명하고, 실내 응용을 위한 성능이 향상된 비(非)풀러렌 OPV의 이상적인 형태를 제안한다.

Y6‐계열 비풀러렌 수용체(NFA)는 분자 내 여기(i‐EX) 상태를 생성할 수 있다는 점 덕분에 유기 광전자공학 분야에서 다수의 기회를 제공한다. 이러한 i‐EX 메커니즘은 NFA 도메인 내에서 효율적인 전하 분리를 가능하게 한다. 그러나 i‐EX 메커즘의 이점을 충분히 활용하려면 고도로 결정성이며 균일한 형태학이 요구되는데, Y6 기반 블렌드에서는 제어되지 않은 응집으로 인해 이를 달성하기 어렵다. 본 연구에서는 최적의 i‐EX 활성화를 위한 벌크 헤테로접합 형태학을 최적화하기 위해 열역학적 유도에 기반한 핵형성 제어 전략을 도입하였다. 결정화 시드로서 Y6보다 낮은 핵형성 에너지 장벽을 갖는 소량의 L8BO‐F를 PTB7‐Th:Y6 블렌드에 첨가함으로써, 핵형성 에너지 임계값을 낮춘다. 이는 초기 단계의 핵형성을 조절하여 막 전반에 걸쳐 균일하게 분포된, 고도로 결정성이며 순수한 NFA 도메인을 포함하는 합금형(alloy‐like) 블렌드를 형성하게 한다. 제어된 결정화는 장거리 여기자(delocalization) 확산을 촉진하고, 합금형 블렌드에서 i‐EX 매개 전하 생성 및 수송을 향상시키며, 더 빠른 i‐EX 형성과 합금형 블렌드에서 전하 분리 상태로의 더 신속한 전이를 통해 이를 확인할 수 있다. 그 결과, 최적화된 합금형 NFA 시스템을 기반으로 한 유기 광검출기는 800 nm에서 빠른 시간 응답과 함께 1.44 × 10 11 Jones의 높은 비특이 검출도(specific detectivity)를 나타내며, 형태학 제어를 통한 i‐EX 동역학이 근적외선 고감도·고속 검출에 대한 잠재력을 지님을 보여준다.

늘어날 수 있는 디스플레이는 기존 디스플레이보다 더 큰 변형을 견딜 수 있어 다양한 전자 기기에 유연하게 통합될 수 있다. 그러나 기존의 신축성 디스플레이를 늘리면 픽셀 크기 또는 픽셀 간격이 증가하여 화질이 저하된다. 해상도를 유지하기 위한 여러 방법이 시도되어 왔으나, 신축 과정에서 모든 픽셀이 활성화되면 충전율(fill factor)이 감소한다. 여기에서는 보이드(void)에 사분면(quadrant) 픽셀을 중첩하여 통합 픽셀 밀도를 갖는 통합형 신축성 OLED를 제시한다. 중첩된 픽셀은 수직 방향으로 정렬되어 원래 상태에서는 광학적으로 단일 픽셀처럼 기능한다. 늘리면 이 픽셀들이 공간적으로 분리되어 각각 개별적으로 가시화되므로 충전율이 증가한다. 패턴드 접착 및 패턴드 전극의 증착을 통해 신뢰할 수 있는 다층 구조를 설계하였다. 중심 픽셀 1개와 단위당 4개의 사분면 픽셀로 구성된 3 × 2 어레이의 PM-통합 신축성 디스플레이는 원래 상태와 늘어난 상태 모두에서 다양한 문자를 선명하게 표시하는 데 성공하였다.

최근 높은 사중극자 모멘트 () 비-풀러렌 수용체(NFAs)의 발전은 유기 태양전지(OPV)에서 여기자 확산과 전하 분리를 향상시켰다. 그러나 도너 대 수용체 비율이 균형을 이룬 기존의 벌크 헤테로접합(BHJ)에서는 종종 무정질 혼합 도메인이 나타나 에너지 불순물을 유발하고, 고- NFA의 광전자적 잠재력 및 안정성을 제한한다. 본 연구에서는 전자 트랩 상태와 전하 국소화를 억제하는 NFA-풍부 BHJ 모델(Non‐fullerene Matrix‐BHJ, NM‐BHJ)을 사용하여 확산 구동 3D 결정화 전략을 시연한다. 이를 통해 정적 불순물로부터 유도되는 에너지 손실을 감소시킨다. 특히, 가로 방향으로 배향된 3D 초구조는 열역학적 안정성을 현저히 향상시키고, 열 스트레스 하에서 형태 변화에 대한 내성을 개선한다. 최적화된 NM‐BHJ를 포함한 OPV는 65 °C에서 720 h 동안 초기 효율의 88.2%를 유지하며, 상온에서 2400 h 동안에는 99%를 초과하여 유지한다. 본 연구에서 얻은 T 90 값 644 h는, 우리가 아는 한, 문헌 내 Y-시리즈 기반 BHJ 시스템(화학적으로 변형된 올리고머 유도체를 사용하는 경우 포함)에서 보고된 것 중 실험적으로 검증된 수명 중 가장 긴 것들 가운데 하나이다. 또한 서로 다른 NFA 시스템 전반에 대한 일반성을 함께 고려할 때, 본 연구는 NM‐BHJ 전략이 고- NFA의 고유한 열적 한계를 형태학적으로 극복함으로써 고효율이며 열적으로 견고한 OPV 소자의 새로운 시대를 열 수 있음을 시사한다.