KR20220156711A - 연신 소자 및 전자 기기 - Google Patents

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KR20220156711A
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styrene
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KR1020210064316A
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강현범
이계황
이영준
윤영준
정종원
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삼성전자주식회사
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Abstract

연신 기판, 그리고 상기 연신 기판 위에 위치하는 복수의 광전자 다이오드를 포함하고, 상기 광전자 다이오드는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 서로 다른 전기적 특성을 가진 제1 반도체와 제2 반도체, 그리고 절연 탄성체를 포함하는 활성층을 포함하는 연신 소자 및 이를 포함하는 전자 기기에 관한 것이다.

Description

연신 소자 및 전자 기기{STRETCHABLE DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE}
연신 소자 및 전자 기기에 관한 것이다.
근래, 표시 소자 또는 스마트 피부 장치, 소프트 로봇 및 생체 의학 장치와 같은 생체 소자를 사물, 피부 또는 의복에 직접 부착하는 부착형 소자에 대한 연구가 진행되고 있다. 부착형 소자는 사물의 형상 또는 생체의 움직임에 따라 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 복구할 수 있는 연신성이 요구된다.
이러한 연신성을 위하여 연신 기판 위에 소자가 제작될 수 있다. 그러나 연신 기판 및 배선의 연신 만으로는 연신의 한계가 있고 연신에 의해 소자가 깨지거나 손상되어 전기적 특성이 저하될 수 있다.
일 구현예는 전기적 특성 및 기계적 특성을 만족할 수 있는 연신 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 연신 소자를 포함하는 전자 기기를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 연신 기판, 그리고 상기 연신 기판 위에 위치하는 복수의 광전자 다이오드를 포함하고, 상기 광전자 다이오드는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 서로 다른 전기적 특성을 가진 제1 반도체와 제2 반도체, 그리고 절연 탄성체를 포함하는 활성층을 포함하는 연신 소자를 제공한다.
상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체 중 적어도 하나는 유기 반도체일 수 있다.
상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체 중 적어도 하나는 고분자 반도체일 수 있다.
상기 절연 탄성체는 적어도 하나의 강성 구조 단위와 적어도 하나의 연성 구조 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 강성 구조 단위는 스타이렌 구조 단위, 올레핀 구조 단위, 우레탄 구조 단위, 에테르 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 연성 구조 단위는 에틸렌 구조 단위, 프로필렌 구조 단위, 부틸렌 구조 단위, 이소부틸렌 구조 단위, 부타디엔 구조 단위, 이소프렌 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 연성 구조 단위에 대한 상기 강성 구조 단위의 중량비는 약 1보다 작을 수 있다.
상기 연성 구조 단위에 대한 상기 강성 구조 단위의 중량비는 약 0.5 이하일 수 있다.
상기 절연 탄성체는 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌(SEBS), 스타이렌-에틸렌-프로필렌-스타이렌(SEPS), 스타이렌-부타디엔-스타이렌(SBS), 스타이렌-이소부틸렌-스타이렌(SIBS) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 절연 탄성체는 상기 활성층 내에서 상기 제1 반도체 또는 상기 제2 반도체와 같거나 그보다 많이 포함되어 있을 수 있다.
상기 절연 탄성체는 상기 제1 반도체, 상기 제2 반도체 및 상기 절연 탄성체의 총 함량에 대하여 약 30 내지 75중량%로 포함되어 있을 수 있다.
상기 제1 반도체, 상기 제2 반도체 및 상기 절연 탄성체는 상기 활성층 내에서 혼합되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 연신 전극일 수 있다.
상기 연신 소자는 인접한 상기 광전자 다이오드를 전기적으로 연결하는 연결 배선을 더 포함할 수 있고, 상기 연결 배선은 연신 배선일 수 있다.
상기 복수의 광전자 다이오드 중 적어도 일부는 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광 센서일 수 있고, 상기 활성층은 광전변환층일 수 있다.
상기 광전변환층 내의 상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체는 각각 p형 반도체 또는 n형 반도체일 수 있다.
상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 방출하는 발광 다이오드일 수 있고, 상기 활성층은 발광층일 수 있다.
상기 발광층 내의 상기 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 호스트 물질 또는 도펀트 물질일 수 있다.
상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광 센서일 수 있고, 상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 방출하는 발광 다이오드일 수 있고, 상기 광 센서와 상기 발광 다이오드는 상기 연신 기판의 면 방향을 따라 배열되어 어레이를 형성할 수 있다.
상기 연신 소자는 생체 신호 센서일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 연신 소자를 포함하는 전자 기기를 제공한다.
연신 소자의 전기적 특성을 크게 저하시키지 않으면서 기계적 특성을 만족할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 연신 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 2는 도 1의 연신 소자를 II-II 선에 따라 자른 단면도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 연신 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 4는 피부형 표시 패널의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 5 및 6은 생체 센서의 예들을 보여주는 개략도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 헬스 케어 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 또는 작용기 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 실릴기, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
본 명세서에서, '실질적으로'는 정상적인 범위 내에서의 변형 및 오차를 고려한 대략적인 범위를 포함하며, 예컨대 약 ±5%, ±4%, ±3%, ±2% 또는 ±1%이다.
이하에서 ‘조합’이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 연신 소자(stretchable device)를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 연신 소자를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 연신 소자를 II-II 선에 따라 자른 단면도이다.
도 1 및 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 연신 소자(100)는 기판(110), 기판(110) 위에 위치하는 복수의 광전자 다이오드(optoelectronic diode)(300), 선택적으로 화소 정의 막(400), 그리고 봉지막(500)을 포함한다.
기판(110)은 소정 방향으로 연신될 수 있고 다시 복원될 수 있는 연신 기판(stretchable substrate)일 수 있고, 소정 방향으로 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있다. 기판(110)은 연신성 재료(stretchable material)를 포함할 수 있고, 연신성 재료는 유기 탄성체, 유무기 탄성체, 무기 탄성체형 물질(inorganic elastomer-like material) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 탄성체 또는 유무기 탄성체는 예컨대 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(styrene-ethylene-butylene-styrene)과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기 탄성체형 물질은 탄성을 가진 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(110)은 1층 또는 서로 다른 물질로 이루어진 2층 이상일 수 있다.
기판(110) 위에는 복수의 광전자 다이오드(optoelectronic diode)(300)가 배치되어 있다. 복수의 광전자 다이오드(300)는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각 광전자 다이오드(300)는 독립적으로 소정 파장 스펙트럼의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광 센서(photosensor)이거나 소정 파장 스펙트럼의 광을 방출하는 발광 다이오드(light emitting diode)일 수 있다. 도면에서는 기판(110) 위에 두 개의 광전자 다이오드(300)가 배치된 구조를 예시적으로 도시하였으나 이에 한정되지 않고 셋 이상의 광전자 다이오드(300)를 포함할 수 있다.
일 예로, 복수의 광전자 다이오드(300)의 적어도 일부는 광 센서일 수 있다. 일 예로, 복수의 광전자 다이오드(300)의 적어도 일부는 발광 다이오드일 수 있다. 일 예로, 복수의 광전자 다이오드(300)의 일부는 광 센서일 수 있고 복수의 광전자 다이오드(300)의 일부는 발광 다이오드일 수 있다.
일 예로, 복수의 광전자 다이오드(300)는 서로 인접한 제1 광전자 다이오드(300a)와 제2 광전자 다이오드(300b)를 포함한다. 제1 광전자 다이오드(300a)는 예컨대 광 센서일 수 있고 제2 광전자 다이오드(300b)는 발광 다이오드일 수 있다.
제1 및 제2 광전자 다이오드(300a, 300b)는 각각 제1 전극(310a, 310b), 제2 전극(320a, 320b) 및 활성층(330a, 330b)을 포함한다.
제1 전극(310a, 310b)과 제2 전극(320a, 320b) 중 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 예컨대 제1 전극(310a, 310b)이 애노드이고 제2 전극(320a, 320b)이 캐소드일 수 있다. 예컨대 제1 전극(310a, 310b)이 캐소드이고 제2 전극(320a, 320b)이 애노드일 수 있다.
제1 전극(310a, 310b)과 제2 전극(320a, 320b) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있다. 투광 전극은 빛을 투과시킬 수 있으며 예컨대 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상 또는 약 99% 이상의 광 투과율을 가질 수 있다.
제1 전극(310a, 310b)과 제2 전극(320a, 320b) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있다. 반사 전극은 빛을 반사시킬 수 있으며 예컨대 약 50% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상 또는 약 99% 이상의 반사율을 가질 수 있다.
예컨대 제1 전극(310a, 310b)은 투광 전극일 수 있고 제2 전극(320a, 320b)은 반사 전극일 수 있다.
제1 전극(310a, 310b)과 제2 전극(320a, 320b) 중 적어도 하나는 연신 전극(stretchable electrode)일 수 있다. 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 연신 전극은 예컨대 복수의 미세크랙(microcracks)을 가질 수 있으며, 복수의 미세크랙은 작은 홀(hole)과 같이 서로 분리되어 있으므로 연신 전극 내의 전기적 이동 통로를 유지하면서 연신시 연신 방향을 따라 확장되어 연신 전극에 유연성을 부여할 수 있다.
활성층(330a, 330b)은 제1 전극(310a, 310b)과 제2 전극(320a, 320b) 사이에 개재되어 있으며, 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광전변환층(photoelectric conversion layer)이거나 전기적 에너지로부터 빛을 내는 발광층(light emitting layer)일 수 있다.
활성층(330a, 330b)은 제1 반도체, 제2 반도체 및 탄성체(elastomer)를 포함한다. 제1 반도체와 제2 반도체는 서로 다른 전기적 특성을 가질 수 있으며 이러한 서로 다른 전기적 특성에 의해 제1 반도체로부터 제2 반도체로 또는 그 반대로 에너지 전이 또는 전하의 이동이 일어날 수 있다. 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 유기 반도체일 수 있으며 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 유기 반도체일 수 있다. 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 공액 구조를 가진 고분자 반도체일 수 있으며, 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 고분자 반도체이거나 제1 반도체와 제2 반도체 중 어느 하나는 고분자 반도체이고 다른 하나는 저분자 반도체일 수 있다. 탄성체는 절연 탄성체일 수 있으며, 활성층(330a, 330b) 내에서 제1 반도체 및 제2 반도체와 혼합되어 있을 수 있다.
일 예로, 제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)은 광전변환층(photoelectronic conversion layer)일 수 있다. 제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)은 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼, 적색 파장 스펙트럼, 적외선 파장 스펙트럼 및 자외선 파장 스펙트럼 중 적어도 하나의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시킬 수 있다. 여기서 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼, 적색 파장 스펙트럼, 적외선 파장 스펙트럼 및 자외선 파장 스펙트럼의 최대흡수파장(λmax,A)은 각각 약 380nm 이상 500nm 미만, 약 500nm 내지 600nm, 약 600nm 초과 700nm 이하, 약 700nm 초과 내지 3000nm 이하 및 약 380nm 미만에 속할 수 있다. 예컨대 제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)은 파장 선택성을 가질 수 있으며, 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼, 적색 파장 스펙트럼, 적외선 파장 스펙트럼 및 자외선 파장 스펙트럼의 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하여 전기적 신호로 변환시킬 수 있다.
제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)은 전술한 바와 같이 제1 반도체, 제2 반도체 및 탄성체를 포함할 수 있다. 활성층(330a)에 포함된 제1 반도체와 제2 반도체 중 어느 하나는 p형 반도체(전자 도너)일 수 있고 다른 하나는 n형 반도체(전자 어셉터)일 수 있고, 제1 반도체와 제2 반도체는 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있다. 활성층(330a)은 적어도 하나의 p형 반도체와 적어도 하나의 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다. 예컨대 p형 반도체의 HOMO 에너지 준위는 약 4.7 내지 5.8eV일 수 있고 상기 범위 내에서 약 4.9 내지 5.6eV 또는 약 5.1 내지 5.4eV일 수 있다. 예컨대 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위는 약 3.4 내지 4.5eV 일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 3.6 내지 4.3eV 또는 약 3.7 내지 4.1eV 일 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체의 HOMO 에너지 준위의 차이는 약 0.1eV 이상일 수 있고, 예컨대 약 0.1eV 내지 2.0eV 일 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 0.1eV 이상일 수 있고, 예컨대 약 0.1eV 내지 2.0eV 일 수 있다.
활성층(330a)에 포함된 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 빛을 흡수할 수 있는 흡광 물질일 수 있으며 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다. 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 고분자 흡광 물질일 수 있고, 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 고분자 흡광 물질이거나 제1 반도체와 제2 반도체 중 어느 하나는 고분자 흡광 물질일 수 있고 다른 하나는 저분자 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 소정 파장 스펙트럼의 광을 선택적으로 흡수하는 파장 선택성 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 파장 선택성 유기 흡광 물질일 수 있다. 제1 반도체와 제2 반도체는 서로 같거나 다른 파장 영역에서 최대 흡수 파장(λmax,A)을 가질 수 있다.
일 예로, 제1 반도체는 p형 반도체일 수 있고 예컨대 하기 화학식 1로 표현되는 구조 단위를 포함한 p형 고분자 반도체일 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 O, S, Se 또는 Te일 수 있고,
L1 및 L2은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기 또는 이들의 조합일 수 있고,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있다.
예컨대, 화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기를 포함할 수 있고, 예컨대 O, S, Se 또는 Te를 포함한 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기를 포함할 수 있다.
예컨대, 화학식 1에서, R1 및 R2는 각각 독립적으로 C1 내지 C30 알킬기로 치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기를 포함할 수 있고, 예컨대 O, S, Se 또는 Te를 포함한 C1 내지 C30 알킬기로 치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기를 포함할 수 있다.
예컨대, 화학식 1에서, L1 및 L2은 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기를 포함할 수 있고, 예컨대 단일 결합 또는 O, S, Se 또는 Te를 포함한 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기를 포함할 수 있다.
일 예로, 제2 반도체는 n형 반도체일 수 있고 예컨대 하기 화학식 2로 표현되는 구조 단위를 포함한 n형 고분자 반도체일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
L3 및 L4는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기 또는 이들의 조합일 수 있고,
R5 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 또는 이들의 조합일 수 있다.
예컨대, 화학식 2에서, R5 및 R6은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기를 포함할 수 있고, 예컨대 R5 및 R6은 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 가지형 알킬기를 포함할 수 있다.
예컨대, 화학식 2에서, L3 및 L4는 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기를 포함할 수 있고, 예컨대 단일 결합 또는 O, S, Se 또는 Te를 포함한 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴렌기를 포함할 수 있다.
일 예로, 제2 반도체는 n형 반도체일 수 있고 예컨대 n형 저분자 반도체일 수 있다. n형 저분자 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체이거나 비플러렌 화합물일 수 있다. 플러렌 유도체는 예컨대 페닐-C61-부티르산메틸에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 반도체와 제2 반도체는 활성층(330a) 내에서 약 1:9 내지 9:1의 중량비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 2:8 내지 8:2, 약 3:7 내지 7:3, 약 4:6 내지 6:4 또는 약 5:5의 중량비로 포함될 수 있다.
활성층(330a)에 포함된 탄성체는 절연 탄성체일 수 있으며, 활성층(330a) 내에서 제1 반도체 및 제2 반도체와 혼합되어 있을 수 있다. 탄성체는 전술한 제1 반도체 및 제2 반도체와 혼합되어 활성층(330a)에 연신성을 부여할 수 있으며, 활성층(330a) 전면에 분포되어 있을 수 있다. 일 예로, 탄성체는 제1 반도체 및 제2 반도체를 둘러싸고 있을 수 있으며 이에 따라 연신시 제1 반도체 및 제2 반도체의 손상 및/또는 깨짐을 방지할 수 있다.
탄성체는 절연성 탄성 고분자일 수 있으며, 이에 따라 제1 반도체와 제2 반도체의 계면에서 전기적 영향을 미치지 않을 수 있다. 또한 탄성체는 제1 반도체와 제2 반도체의 표면 장력(surface tension)과 유사한 범위의 표면 장력을 가질 수 있으며, 예컨대 탄성체의 표면 장력은 제1 반도체 및 제2 반도체의 표면 장력 대비 약 0.5배 이상 2배 미만, 약 0.6배 내지 1.8배, 약 0.7배 내지 1.6배 또는 약 0.8배 내지 1.5배일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라 탄성체는 활성층(300a) 내에서 제1 반도체 및 제2 반도체와의 이질성을 줄이고 혼화성을 높일 수 있다.
일 예로, 탄성체는 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer)일 수 있다. 탄성체는 서로 같거나 다른 복수의 구조 단위를 포함하는 중합체일 수 있으며, 예컨대 두 종류 이상의 서로 다른 구조 단위를 포함하는 공중합체일 수 있다. 일 예로, 탄성체는 상대적으로 단단한 물성을 제공하는 적어도 하나의 강성 구조 단위(hard structural unit)와 상대적으로 부드러운 물성을 제공하는 적어도 하나의 연성 구조 단위(soft structural unit)를 포함하는 공중합체일 수 있다.
강성 구조 단위는 예컨대 고온 성능(high-temperature performance), 열가소성(thermoplastic processability), 인장 강도(tensile strength) 및 절단 강도(tear strength)와 같은 가소성(plastic properties)을 제공할 수 있고, 연성 구조 단위는 예컨대 저온 성능(low-temperature performance), 경도(hardness), 유연성(flexibility) 및 인장/압축(tension/compression)과 같은 탄성(elastomeric property)을 제공할 수 있다. 탄성체는 강성 구조 단위와 연성 구조 단위를 적절히 배치함으로써 원하는 탄성 특성을 나타낼 수 있다. 강성 구조 단위와 연성 구조 단위는 탄성체 내에서 각각 교대로 배열되거나 클러스터(clusters) 또는 블록(blocks)으로 배열될 수 있다.
일 예로, 강성 구조 단위는 예컨대 스타이렌 함유 구조 단위, 올레핀 함유 구조 단위, 우레탄 함유 구조 단위, 에테르 함유 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 연성 구조 단위는 예컨대 에틸렌 구조 단위, 프로필렌 구조 단위, 부틸렌 구조 단위, 이소부틸렌 구조 단위, 부타디엔(butadiene) 구조 단위, 이소프렌(isoprene) 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 탄성체는 강성 구조 단위로서 스타이렌 구조 단위를 포함하는 스타이렌 함유 중합체일 수 있으며, 연성 구조 단위로서 에틸렌 구조 단위, 프로필렌 구조 단위, 부틸렌 구조 단위, 이소부틸렌 구조 단위, 부타디엔 구조 단위, 이소프렌 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, 탄성체는 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌(styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS), 스타이렌-에틸렌-프로필렌-스타이렌(styrene-ethylene-propylene-styrene, SEPS), 스타이렌-부타디엔-스타이렌(styrene-butadiene-styrene, SBS), 스타이렌-이소부틸렌-스타이렌(styrene-isobutylene-styrene, SIBS) 및 이들의 조합에서 선택된 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 탄성체는 강성 구조 단위와 연성 구조 단위를 적절히 배치함으로써 탄성 모듈러스를 조절할 수 있으며, 예컨대 연성 구조 단위에 대한 강성 구조 단위의 중량비가 높을수록 비교적 높은 탄성 모듈러스의 활성층(330a)을 구현할 수 있고, 예컨대 연성 구조 단위에 대한 강성 구조 단위의 중량비가 낮을수록 비교적 낮은 탄성 모듈러스의 활성층(330a)을 구현할 수 있다.
일 예로, 탄성체의 연성 구조 단위에 대한 강성 구조 단위의 중량비는 약 1보다 작을 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.9 이하, 약 0.8 이하, 약 0.7 이하, 약 0.6 이하, 약 0.5 이하, 약 0.4 이하 또는 약 0.3 이하일 수 있으며, 약 0.01 내지 0.9, 약 0.01 내지 0.8, 약 0.01 내지 0.7, 약 0.01 내지 0.6, 약 0.01 내지 0.5, 약 0.01 내지 0.4 또는 약 0.01 내지 0.3일 수 있다. 이러한 탄성체는 비교적 낮은 탄성 모듈러스를 가질 수 있으며 이에 따라 비교적 높은 연신율을 가진 활성층(330a)을 구현할 수 있다.
일 예로, 탄성체의 연성 구조 단위에 대한 강성 구조 단위의 중량비는 약 1보다 클 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1.1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.3 이상, 약 1.4 이상, 약 1.5 이상, 약 1.7 이상, 약 1.9 이상 또는 약 2.0 이상일 수 있으며, 약 1.0 초과 9.9, 약 1.1 내지 9.9, 약 1.2 내지 9.9, 약 1.3 내지 9.9, 약 1.4 내지 9.9, 약 1.5 내지 9.9, 약 1.7 내지 9.9, 약 1.9 내지 9.9 또는 약 2.0 내지 9.9일 수 있다. 이러한 탄성체는 비교적 높은 탄성 모듈러스를 가질 수 있으며 이에 따라 비교적 낮은 연신율을 가진 활성층(330a)을 구현할 수 있다.
탄성체는 활성층(330a) 내에서 제1 반도체, 제2 반도체 및 탄성체의 총 함량에 대하여 예컨대 약 20중량% 이상으로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 25중량% 이상, 약 30중량% 이상, 약 33중량% 이상, 약 35중량% 이상, 약 40중량% 이상 또는 약 45중량% 이상으로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 20 내지 80중량%, 약 20 내지 75중량%, 약 20 내지 70중량%, 약 20 내지 65중량%, 약 20 내지 60중량%, 약 20 내지 55중량%, 약 20 내지 50중량%, 약 25 내지 80중량%, 약 25 내지 75중량%, 약 25 내지 70중량%, 약 25 내지 65중량%, 약 25 내지 60중량%, 약 25 내지 55중량%, 약 25 내지 50중량%, 약 30 내지 80중량%, 약 30 내지 75중량%, 약 30 내지 70중량%, 약 30 내지 65중량%, 약 30 내지 60중량%, 약 30 내지 55중량%, 약 30 내지 50중량%, 약 33 내지 80중량%, 약 33 내지 75중량%, 약 33 내지 70중량%, 약 33 내지 65중량%, 약 33 내지 60중량%, 약 33 내지 55중량%, 약 33 내지 50중량%, 약 35 내지 80중량%, 약 35 내지 75중량%, 약 35 내지 70중량%, 약 35 내지 65중량%, 약 35 내지 60중량%, 약 35 내지 55중량%, 약 35 내지 50중량%, 약 40 내지 80중량%, 약 40 내지 75중량%, 약 40 내지 70중량%, 약 40 내지 65중량%, 약 40 내지 60중량%, 약 40 내지 55중량%, 약 40 내지 50중량%, 약 45 내지 80중량%, 약 45 내지 75중량%, 약 45 내지 70중량%, 약 45 내지 65중량%, 약 45 내지 60중량%, 약 45 내지 55중량% 또는 약 45 내지 50중량%로 포함될 수 있다. 탄성체는 상기 범위로 포함됨으로써 활성층(330a)의 전기적 특성을 크게 열화시키지 않으면서 연신성을 확보할 수 있다.
일 예로, 탄성체는 제1 반도체 또는 제2 반도체와 같거나 그보다 많이 포함될 수 있으며, 예컨대 탄성체는 제1 반도체 또는 제2 반도체 100중량부에 대하여 약 100중량부 내지 300중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 약 100중량부 내지 250중량부 또는 약 100중량부 내지 200중량부로 포함될 수 있다.
일 예로, 활성층(330a)의 탄성 모듈러스는 기판(110)의 탄성 모듈러스와 유사할 수 있으며, 예컨대 활성층(330a)의 탄성 모듈러스는 기판(110)의 탄성 모듈러스의 약 0.5배 내지 100배일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.5배 내지 80배, 약 0.5배 내지 60배, 약 0.5배 내지 50배 또는 약 0.5배 내지 30배일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(330a)의 탄성 모듈러스는 예컨대 약 102 Pa 내지 109 Pa일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 102 Pa 내지 108 Pa, 약 102 Pa 내지 107 Pa 또는 약 102 Pa 내지 106 Pa일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 탄성 모듈러스는 영스 모듈러스(Young’s modulus)일 수 있다.
제1 광전자 다이오드(300a)는 제1 전극(310a)과 활성층(330a) 사이 및/또는 제2 전극(320a)과 활성층(330a) 사이에 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보조층은 전하 보조층, 광학 보조층 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2 광전자 다이오드(300b)의 활성층(330b)은 발광층(light emitting layer)일 수 있다. 제2 광전자 다이오드(300b)의 활성층(330b)은 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼, 적색 파장 스펙트럼, 적외선 파장 스펙트럼 및 자외선 파장 스펙트럼 중 적어도 하나의 광을 방출할 수 있다. 여기서 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼, 적색 파장 스펙트럼, 적외선 파장 스펙트럼 및 자외선 파장 스펙트럼의 최대발광파장(λmax,E)은 각각 약 380nm 이상 500nm 미만, 약 500nm 내지 600nm, 약 600nm 초과 700nm 이하, 약 700nm 초과 내지 3000nm 이하 및 약 380nm 미만에 속할 수 있다.
활성층(330b)에 포함된 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 독립적으로 호스트 물질(host material) 또는 도펀트 물질(dopant material)일 수 있다. 예컨대 제1 반도체는 호스트 물질이고 제2 반도체는 도펀트 물질일 수 있다. 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 호스트 물질이고 활성층(330b)은 도펀트 물질을 더 포함할 수 있다. 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 발광 물질일 수 있으며 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 유기 발광 물질일 수 있다. 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체 중 적어도 하나는 고분자 발광 물질일 수 있고, 예컨대 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 고분자 발광 물질이거나 제1 반도체와 제2 반도체 중 어느 하나는 고분자 발광 물질이고 다른 하나는 저분자 발광 물질일 수 있다. 제1 반도체와 제2 반도체는 서로 같거나 다른 파장 영역에서 최대 발광 파장(λmax,E)을 가질 수 있다.
제1 반도체와 제2 반도체는 활성층(330b) 내에서 약 1:9 내지 9:1의 중량비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 2:8 내지 8:2, 약 3:7 내지 7:3, 약 4:6 내지 6:4 또는 약 5:5의 중량비로 포함될 수 있다.
활성층(330b)에 포함된 탄성체는 절연 탄성체일 수 있으며, 활성층(330b) 내에서 제1 반도체 및 제2 반도체와 혼합되어 있을 수 있다. 탄성체는 활성층(330b)에서 제1 반도체 및 제2 반도체와 혼합되어 활성층(330b)에 연신성을 부여할 수 있으며, 활성층(330b) 전면에 분포되어 있을 수 있다. 일 예로, 탄성체는 활성층(330b)에서 제1 반도체 및 제2 반도체를 둘러싸고 있을 수 있으며 이에 따라 연신시 제1 반도체 및 제2 반도체의 손상 및/또는 깨짐을 방지할 수 있다. 활성층(330b)에 포함된 탄성체에 관한 구체적인 설명은 전술한 활성층(330a)에 포함된 탄성체와 같다.
활성층(330a)에 포함된 탄성체와 활성층(330b)에 포함된 탄성체는 서로 같거나 다를 수 있으며, 제1 및 제2 광전자 다이오드(300a, 300b)에서 원하는 탄성을 가지도록 각각 전술한 강성 구조 단위와 연성 구조 단위의 종류 및/또는 비율을 조절할 수 있다.
예컨대 활성층(330b)의 탄성 모듈러스는 기판(110)의 탄성 모듈러스와 유사할 수 있으며, 예컨대 활성층(330a)의 탄성 모듈러스는 기판(110)의 탄성 모듈러스의 약 0.5배 내지 100배일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.5배 내지 80배, 약 0.5배 내지 60배, 약 0.5배 내지 50배 또는 약 0.5배 내지 30배일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(330b)의 탄성 모듈러스는 예컨대 약 102 Pa 내지 109 Pa일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 102 Pa 내지 108 Pa, 약 103 Pa 내지 107 Pa 또는 약 104 Pa 내지 107 Pa일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기에서는 일 예로서 제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)과 제2 광전자 다이오드(300b)의 활성층(330b)에 각각 탄성체를 포함하는 것을 설명하였으나, 제1 광전자 다이오드(300a)의 활성층(330a)과 제2 광전자 다이오드(300b)의 활성층(330b) 중 어느 하나에 탄성체를 포함할 수도 있다.
제2 광전자 다이오드(300b)는 제1 전극(310b)과 활성층(330b) 사이 및/또는 제2 전극(320b)과 활성층(330b) 사이에 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 보조층은 전하 보조층, 광학 보조층 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
화소 정의 막(400)은 기판(110) 전면에 형성되어 있으며 제1 광전자 다이오드(300a)와 제2 광전자 다이오드(300b)를 정의할 수 있다. 화소 정의 막(400)은 제1 광전자 다이오드(300a)와 제2 광전자 다이오드(300b)를 각각 노출하는 복수의 개구부(410a, 410b)를 포함한다. 화소 정의 막(400)은 절연막일 수 있다.
봉지막(500)은 연신 소자(100) 전면을 덮고 있을 수 있으며, 연신 소자(100) 내에 수분 및 공기가 유입되는 것을 방지하여 광전자 다이오드(300)를 보호할 수 있다. 봉지막(500)은 예컨대 고분자 박막일 수 있으며, 예컨대 연신 고분자 박막일 수 있다.
연신 소자(100)는 인접한 광전자 다이오드(300)를 연결하는 연결 배선(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 연결 배선은 예컨대 인접한 광전자 다이오드(300)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 연결 배선은 예컨대 저저항 도전체로 만들어질 수 있으며, 예컨대 은, 금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 연결 배선은 예컨대 연신 배선일 수 있다.
전술한 바와 같이, 활성층(330)은 전기적 특성을 구현하기 위한 제1 반도체와 제2 반도체 외에 탄성체를 포함함으로써 연신 광전자 다이오드(300)를 구현할 수 있다. 따라서 기판(110)의 연신성에만 의존하는 기존의 연신 소자와 달리 광전자 다이오드(300) 자체에 연신성을 부여함으로써 연신 소자(100)의 연신 한계를 극복하는 동시에 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 대하여 광전자 다이오드(300)의 깨짐 및/또는 손상 없이 유연하게 반응할 수 있어서 연신에 따른 전기적 특성의 열화를 방지할 수 있다.
일 예로, 연신 소자(100)의 연신율은 약 30% 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 60% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상 또는 약 100% 이상일 수 있으며, 약 30 내지 1000%, 약 40 내지 1000%, 약 50 내지 1000%, 약 60 내지 1000%, 약 70 내지 1000%, 약 80 내지 1000%, 약 90 내지 1000% 또는 약 100 내지 1000%일 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다.
또한 탄성체의 절연 특성 및 표면 특성에 의해 활성층(330) 내의 제1 반도체와 제2 반도체 사이의 전기적 특성에 영향을 미치지 않으면서도 혼화성을 높일 수 있고, 탄성체의 구조 단위를 적절히 선택함으로써 원하는 탄성 모듈러스의 활성층(330)을 구현할 수 있다. 이에 따라 웨어러블 소자와 같은 연신 소자에서 광전자 소자(300)의 손상을 방지하기 위하여 별도의 강성 영역(rigid region) 위에 광전자 소자(300)를 형성함으로써 발생할 수 있는 연신성의 한계를 극복하고 광전자 소자(300)의 손상 없이 더욱 높은 연신성을 가진 연신 소자를 구현할 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 연신 소자를 설명한다.
도 3은 일 구현예에 따른 연신 소자를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 연신 소자(100)는 기판(110), 그리고 기판(110) 위에 복수의 광전자 다이오드(300)가 행 및/또는 열을 따라 배열된 광전자 다이오드 어레이(300-A)를 포함한다. 광전자 다이오드 어레이(300-A)는 복수의 광전자 다이오드(300)가 예컨대 바이어 매트릭스(Bayer matrix), 펜타일 매트릭스(PenTile matrix) 및/또는 다이아몬드 매트릭스(diamond matrix) 등으로 배열될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전자 다이오드 어레이(300-A)를 이루는 복수의 광전자 다이오드(300)는 전술한 제1 광전자 다이오드(300a)와 전술한 제2 광전자 다이오드(300b)를 포함할 수 있으며, 예컨대 복수의 광전자 다이오드(300) 중 적어도 일부는 광 센서일 수 있고 예컨대 복수의 광전자 다이오드(300) 중 적어도 일부는 발광 다이오드일 수 있다. 따라서 제1 광전자 다이오드(300a)(예컨대 광 센서)와 제2 광전자 다이오드(300b)(예컨대 발광 다이오드)는 기판(110)의 면 방향(예컨대 XY방향)을 따라 교대로 또는 블록으로 배열되어 있을 수 있다. 각 광전자 다이오드(300)에 대한 설명은 전술한 바와 같다.
도면에서는 모든 광전자 다이오드(300)가 동일한 크기를 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 광전자 다이오드(300)는 다른 광전자 다이오드(300)보다 크거나 작을 수 있다. 도면에서는 모든 광전자 다이오드(300)가 동일한 모양을 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 광전자 다이오드(300)는 다른 광전자 다이오드(300)와 다른 모양을 가질 수 있다.
연신 소자(100)는 압력 센서(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 압력 센서는 인접한 광전자 다이오드(300) 사이에 위치하거나 배열된 광전자 다이오드(300) 중 일부에 대신 위치할 수 있다. 압력 센서는 압력의 변화를 감지할 수 있는 센서로, 연신 소자(100)에서 소정의 압력이 작용하는 위치를 특정할 수 있고 이에 따라 해당 위치에 근접하게 위치하는 광전자 다이오드(300)만 선택적으로 동작시킬 수 있다.
연결 배선(121)은 인접한 광전자 다이오드(300) 사이에 위치하여 인접한 광전자 다이오드(300)를 전기적으로 연결시킬 수 있다. 연결 배선(121)은 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 행 및/또는 열을 따라 배열된 광전자 다이오드(300) 사이에서 행 방향(예컨대 x방향) 및 열 방향(예컨대 y방향)을 따라 배열되어 있을 수 있다. 연결 배선(121)은 신호선(도시하지 않음)에 연결되어 있을 수 있으며, 신호선은 예컨대 게이트 신호(또는 주사 신호)를 전달하는 게이트선, 데이터 신호를 전달하는 데이터선, 구동 전압을 인가하는 구동 전압선 및/또는 공통 전압을 인가하는 공통 전압선을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 연결 배선(121)은 예컨대 저저항 도전체를 포함할 수 있으며, 예컨대 은, 금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
전술한 연신 소자(100)는 연신성이 요구되는 다양한 전자 소자에 적용될 수 있으며, 예컨대 벤더블 표시 패널(bendable display panel), 폴더블 표시 패널(folderable display panel), 롤러블 표시 패널(rollable display panel), 웨어러블 소자(wearable device), 피부형 표시 패널(skin-like display panel), 피부형 센서(skin-like sensor), 대면적 순응형 표시 소자(large-area conformable display), 스마트 의류(smart clothing), 생체 신호 센서(bio signal sensor) 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 전술한 연신 소자(100)는 피부형 표시 패널(skin-like display panel)에 포함될 수 있다.
도 4는 피부형 표시 패널의 일 예를 보여주는 개략도이다.
연신 소자(100)는 아주 얇은 표시 패널(ultrathin display panel)인 피부형 표시 패널일 수 있으며, 손과 같은 생체의 일부분에 부착하여 사용될 수 있다. 피부형 표시 패널은 다양한 문자 및/또는 화상과 같은 소정의 정보를 표시할 수 있다.
일 예로, 전술한 연신 소자(100)는 생체 신호 센서일 수 있다.
도 5 및 6은 생체 센서의 예들을 보여주는 개략도이다.
연신 소자(100)는 부착형 생체 센서일 수 있으며, 피부와 같은 생체 표면, 장기와 같은 생체 내부 또는 의복과 같은 생체에 접촉하는 간접 수단에 부착되어 생체 신호와 같은 생체 정보를 감지 및 측정할 수 있다. 일 예로, 생체 센서는 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 센서, 심전도 (electrocardiogram, ECG) 센서, 혈압(blood pressure, BP) 센서, 근전도(electromyography, EMG) 센서, 당뇨(blood glucose, BG) 센서, 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서, 가속도계(accelerometer), RFID 안테나(RFID antenna), 관성 센서(inertial sensor), 활동 센서(activity sensor), 스트레인 센서(strain sensor), 동작 센서(Motion sensor) 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 생체 센서는 아주 얇은 패치형 또는 밴드형으로 생체(예컨대 손목, 손등, 팔, 가슴 등)에 부착되어 생체 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
도 6을 참고하면, 생체 신호 센서인 연신 소자(100)는 전술한 제1 광전자 다이오드(300a)(예컨대 광 센서)와 제2 광전자 다이오드(300b)(예컨대 발광 다이오드)를 포함할 수 있다. 제2 광전자 다이오드(300b)는 생체 신호를 감지하기 위한 제1 광(L1)을 방출할 수 있다. 제2 광전자 다이오드(300b)는 예컨대 적외선 파장 영역의 제1 광(L1)을 방출하는 적외선 발광 다이오드 또는 가시광선 파장 영역의 제1 광(L1)을 방출하는 가시광 발광 다이오드일 수 있다. 제1 광전자 다이오드(300a)에서 방출된 제1 광(L1)은 대상물(예컨대 피부 또는 혈관과 같은 생체)(T)에 의해 반사되거나 대상물에 흡수될 수 있다.
제1 광전자 다이오드(300a)는 제2 광전자 다이오드(300b)로부터 방출된 제1 광(L1)이 대상물(T)에 의해 반사된 제2 광(L2)을 수신하여 전기적 신호로 변환할 수 있다. 반사된 제2 광(L2)으로부터 변환된 전기적 신호는 생체 정보를 포함할 수 있다. 생체 정보를 포함한 전기적 신호는 센서 IC(도시하지 않음) 또는 프로세서(도시하지 않음)로 전달될 수 있다.
일 예로, 연신 소자(100)는 광혈류 측정 센서(PPG)일 수 있으며, 생체 정보는 심박수, 산소포화도, 스트레스, 부정맥, 혈압 등을 포함할 수 있고, 전기적 신호의 파형을 분석하여 생체 정보를 획득할 수 있다.
일 예로, 연신 소자(100)는 관절 및 근육에 문제가 발생한 환자들의 재활 치료를 위하여 관절 부분에 부착하는 근전도(EMG) 센서 또는 스트레인 센서일 수 있다. 근전도(EMG) 센서 또는 스트레인 센서는 치료를 원하는 부위에 부착되어 근육의 움직임 또는 관절의 움직임을 정량적으로 측정하여 재활에 필요한 데이터를 확보할 수 있다.
전술한 연신 소자, 표시 패널 또는 생체 신호 센서는 다양한 전자 기기에 포함될 수 있으며, 전자 기기는 프로세서(도시하지 않음) 및 메모리(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 전자 기기는 모바일; TV; 헬스 케어 장치 등일 수 있으며, 헬스 케어 장치는 예컨대 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서 장치, 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 센서 장치, 심전도 (electrocardiogram, ECG) 센서 장치, 혈압(blood pressure, BP) 센서 장치, 근전도(electromyography, EMG) 센서 장치, 당뇨(blood glucose, BG) 센서 장치, 가속도계(accelerometer) 장치, RFID 안테나(RFID antenna) 장치, 관성 센서(inertial sensor) 장치, 활동 센서(activity sensor) 장치, 스트레인 센서(strain sensor) 장치, 동작 센서(Motion sensor) 장치 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 7은 일 구현예에 따른 헬스 케어 장치의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 7을 참고하면, 일 구현예에 따른 헬스 케어 장치(1000)는 패치 또는 밴드 형태의 부착형 헬스 케어 장치일 수 있으며, 전술한 연신 소자(100); 연신 소자(100)로부터 얻어진 생체 신호를 처리하기 위한 IC 및/또는 프로세서(600) 및 얻어진 생체 신호를 다양한 문자 및/또는 화상으로 표시할 수 있는 표시 영역(700)을 포함할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
제조예
제조예 1 하기 고분자 A (p형 반도체, Mw=40,000~50,000g/mol, 표면장력: 26.1mJ/㎡)(1-Material사 제조), 하기 고분자 B(n형 반도체, Mw=60,000~70,000g/mol, 표면장력: 25.8mJ/㎡)(eFlexPV Limited 제조) 및 스타이렌 구조 단위와 에틸렌/부틸렌 구조 단위의 비율이 12:88(w/w)으로 포함된 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌(SEBS)(H1122, Asahi Kasei)(표면장력: 28.6mJ/㎡)을 1.3:1.0:1.15의 중량비로 클로로포름에서 혼합하고 40℃에서 12시간 교반하여 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
[고분자 A]
Figure pat00003
[고분자 B]
Figure pat00004
제조예 2
고분자 A, 고분자 B 및 SEBS를 1.3:1.0:2.3의 중량비로 포함한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
제조예 3
고분자 A, 고분자 B 및 SEBS를 1.3:1.0:3.5의 중량비로 포함한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
비교제조예 1
SEBS 없이 고분자 A와 고분자 B를 1.3:1의 중량비로 포함한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
제조예 4
n형 반도체로서 고분자 B 대신 페닐-C61-부티르산메틸에스테르(phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)(표면장력: 42.3 mJ/㎡)을 포함하고 고분자 A, PCBM 및 SEBS를 1.3:1.0:1.15의 중량비로 클로로벤젠에서 혼합하고 80℃에서 12시간 교반 한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
제조예 5
고분자 A, PCBM 및 SEBS를 1:1.5:2.5의 중량비로 포함한 것을 제외하고 제조예 4과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
비교제조예 2
SEBS 없이 고분자 A와 PCBM을 1:1.5의 중량비로 포함한 것을 제외하고 제조예 4과 동일한 방법으로 활성층용 유기 반도체 용액을 준비한다.
연신 소자의 제조
실시예 1
희생층이 도포된 유리 기판 위에 스타이렌 구조 단위와 에틸렌/부틸렌 구조 단위의 비율이 20:80(w/w)으로 포함된 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌(SEBS)(H1052, Asahi Kasei, Tg = 60℃)과 광경화제(bis(6-((4-azido-2,3,5,6-tetrafluorobenzoyl)oxy)hexyl)decanedioate)를 톨루엔에 녹인 용액을 도포 및 건조하고 경화 및 패터닝하여 5㎛ 두께의 연신 기판(연신율: 약 700%, 탄성 모듈러스: 약 ~ 1MPa)을 형성한다. 이어서 연신 기판 위에 도전성 고분자 용액을 도포 및 패터닝하여 하부 연신 전극을 형성한다. 이어서 하부 연신 전극 위에 제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 스핀 코팅으로 도포하고 진공 건조하여 0.5㎛ 두께의 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 도전성 고분자 용액을 도포 및 패터닝하여 상부 연신 전극을 형성하고 연신 소자를 제조한다. 마지막으로, 희생층을 녹여서 유리 기판으로부터 연신 소자를 분리한다.
실시예 2
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 제조예 2에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
실시예 3
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 제조예 3에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
비교예 1
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 비교제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
실시예 4
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 제조예 4에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
실시예 5
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 제조예 5에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
비교예 2
제조예 1에 따른 활성층용 유기 반도체 용액 대신 비교제조예 2에 따른 활성층용 유기 반도체 용액을 사용하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 연신 소자를 제조한다.
평가 I
실시예와 비교예에 따른 연신 소자의 전기적 특성을 평가한다.
암전류(dark current)는 전류-전압 평가 장비(Keithley K4200 parameter nalyzer)를 사용하여 암전류를 측정한 후 단위 화소 면적(0.04㎠)으로 나눈 암전류 밀도부터 평가하며, 암전류 밀도는 -1V 역바이어스 인가시 흐르는 전류로부터 평가한다.
검출능(detectivity)은 입사되는 광량을 광 전류로 나눈 값을 노이즈인 암전류로 다시 나누어 평가한다.
그 결과는 표 1 및 2와 같다.
Detectivity (Jones, @1V) Dark Current (A/㎠)
550nm 650nm
실시예 1 4.61E+12 6.63E+12 2.94E-9
실시예 2 1.56E+13 2.40E+13 1.52E-10
실시예 3 9.67E+12 9.42E+12 1.83E-10
비교예 1 1.17E+12 1.86E+12 7.46E-8
Detectivity (Jones, @1V) Dark Current (A/㎠)
550nm 650nm
실시예 4 1.20E+13 1.50E+13 8.40E-10
실시예 5 1.10E+13 1.40E+13 3.50E-10
비교예 2 4.40E+12 5.40E+12 1.10E-8
표 1 및 2를 참고하면, 실시예에 따른 연신 소자는 비교예에 따른 연신 소자와 비교하여 암전류 및 검출능이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
평가 II
실시예와 비교예에 따른 연신 소자의 기계적 특성을 평가한다.
기계적 특성은 연신 소자의 활성층의 탄성 모듈러스 및 연신 소자를 양 방향(예컨대 x방향)으로 연신할 때 광학 현미경에서 수 마이크로미터 수준 크기의 미세 크랙이 관찰되는 시점에서의 연신율(Crack on set, COS)로부터 평가한다.
그 결과는 표 3 및 4와 같다.
탄성 모듈러스(MPa) COS (%)
실시예 1 12.18 75
실시예 2 4.68 100
비교예 1 338.89 30
COS (%)
실시예 4 15
실시예 5 30
비교예 2 5
표 3 및 4를 참고하면, 실시예에 따른 연신 소자는 비교예에 따른 연신 소자와 비교하여 유연성이 높고 기계적 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
이로부터 실시예에 따른 연신 소자는 비교예에 따른 연신 소자와 비교할 때 전기적 특성이 개선되고 연신에 따른 기계적 내구성이 높은 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
100: 연신 소자
110: 기판
121: 연결 배선
300: 광전자 다이오드
300a: 제1 광전자 다이오드
300b: 제2 광전자 다이오드
300A: 어레이
310a, 310b: 제1 전극
320a, 320b: 제2 전극
330a, 330b: 활성층
600: 프로세서
700: 표시 영역
1000: 헬스 케어 장치

Claims (22)

  1. 연신 기판, 그리고
    상기 연신 기판 위에 위치하는 복수의 광전자 다이오드
    를 포함하고,
    상기 광전자 다이오드는
    제1 전극과 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 서로 다른 전기적 특성을 가진 제1 반도체와 제2 반도체, 그리고 절연 탄성체를 포함하는 활성층
    을 포함하는 연신 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체 중 적어도 하나는 유기 반도체인 연신 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체 중 적어도 하나는 고분자 반도체인 연신 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 절연 탄성체는 적어도 하나의 강성 구조 단위와 적어도 하나의 연성 구조 단위를 포함하는 공중합체인 연신 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 강성 구조 단위는 스타이렌 구조 단위, 올레핀 구조 단위, 우레탄 구조 단위, 에테르 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함하는 연신 소자.
  6. 제4항에서,
    상기 연성 구조 단위는 에틸렌 구조 단위, 프로필렌 구조 단위, 부틸렌 구조 단위, 이소부틸렌 구조 단위, 부타디엔 구조 단위, 이소프렌 구조 단위 또는 이들의 조합을 포함하는 연신 소자.
  7. 제4항에서,
    상기 연성 구조 단위에 대한 상기 강성 구조 단위의 중량비는 1보다 작은 연신 소자.
  8. 제7항에서,
    상기 연성 구조 단위에 대한 상기 강성 구조 단위의 중량비는 0.5 이하인 연신 소자.
  9. 제1항에서,
    상기 절연 탄성체는 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌(SEBS), 스타이렌-에틸렌-프로필렌-스타이렌(SEPS), 스타이렌-부타디엔-스타이렌(SBS), 스타이렌-이소부틸렌-스타이렌(SIBS) 또는 이들의 조합을 포함하는 연신 소자.
  10. 제1항에서,
    상기 절연 탄성체는 상기 활성층 내에서 상기 제1 반도체 또는 상기 제2 반도체와 같거나 그보다 많이 포함되어 있는 연신 소자.
  11. 제1항에서,
    상기 절연 탄성체는 상기 제1 반도체, 상기 제2 반도체 및 상기 절연 탄성체의 총 함량에 대하여 30 내지 75중량%로 포함되어 있는 연신 소자.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 반도체, 상기 제2 반도체 및 상기 절연 탄성체는 상기 활성층 내에서 혼합되어 있는 연신 소자.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나는 연신 전극인 연신 소자.
  14. 제1항에서,
    인접한 상기 광전자 다이오드를 전기적으로 연결하는 연결 배선을 더 포함하고,
    상기 연결 배선은 연신 배선인 연신 소자.
  15. 제1항에서,
    상기 복수의 광전자 다이오드 중 적어도 일부는 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광 센서이고,
    상기 활성층은 광전변환층인
    연신 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 광전변환층 내의 상기 제1 반도체와 상기 제2 반도체는 각각 p형 반도체 또는 n형 반도체인 연신 소자.
  17. 제15항에서,
    상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 방출하는 발광 다이오드이고,
    상기 활성층은 발광층인
    연신 소자.
  18. 제17항에서,
    상기 발광층 내의 상기 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 호스트 물질 또는 도펀트 물질인 연신 소자.
  19. 제1항에서,
    상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 흡수하여 전기적 신호로 변환하는 광 센서이고,
    상기 복수의 광전자 다이오드 중 일부는 빛을 방출하는 발광 다이오드이고,
    상기 광 센서와 상기 발광 다이오드는 상기 연신 기판의 면 방향을 따라 배열되어 어레이를 형성하는 연신 소자.
  20. 제1항에서,
    상기 연신 소자는 생체 신호 센서인 연신 소자.
  21. 제1항에서,
    상기 연신 소자는 표시 패널인 연신 소자.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 연신 소자를 포함하는 전자 기기.
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