Advances in material science and electronics technologies have promised to enable the form-factor of electronic devices to be miniaturized into nearly imperceptible configurations, and wearable electronics have recently been spotlighted for advanced capabilities exceeding the spatial and temporal limitations of hard electronics. Among various strategies, e-textiles integrating electronic functions into human-friendly clothes, have been studied at both the fiber and fabric levels. While most earlier work has focused on transistors, sensors, photovoltaic devices, and electric connectors, there are few studies of wearable display devices.
Among the more promising applications, wearable displays have emerged as a technological collaboration between the textile and fashion industries, and state-of-the-art electronics. Fiber-based wearable displays are considered highly desirable because they allow display functions to be incorporated without losing the inherent properties of hierarchically-woven clothes. These include important characteristics such as flexibility, comfort, durability, and washability, all at the same time. However, in spite of its great potential, few workers have attempted to realize fiber-based wearable displays utilizing organic/polymer light-emitting diodes and polymer light-emitting electrochemical cells.
Through the work described in this dissertation, we have broken from the existing ways in which display devices are produced on flat substrates such as glass and polymer films. Instead, we produced cylindrical fiber-based OLEDs by the dip coating method, the most appropriate solution process for cylindrical fibers. We also analyzed the peculiar electrical and optical properties of these light-emitting devices due to the effect of the cylindrical geometry. However, they, like other previously reported fiber-shaped light-emitting devices, are considerably behind the performance and stability of well-established planar-shaped display devices. Based on the results from our analysis, we proposed a tailored device structure suitable for cylindrical fibers to achieve fiber-based display devices with performance at the level of planar displays.
We developed and demonstrated fiber inverted OLEDs composed of a low-temperature solution-processable ZnO/PEI bilayer to compensate for a deficient electron-injection barrier over the entire surface of a fiber. The fiber OLEDs showed an unprecedentedly high luminance and efficiency in comparison with their conventional counterparts. Notably, the efficiency and lifetime achieved with the fiber OLEDs were on a par with glass-based devices. These results are significant because these state-of-the-art, highly efficient solution-processed flat OLEDs can be applied to fibers without any degradation in performance. Furthermore, we verified that the resulting fiber OLEDs are the most desirable for the application of wearable displays by analyzing properties such as outcoupling efficiency, flexibility, and weavability, with the assistance of simulation. Regarding the fabrication process, we also proved that the proposed approach, using a low-temperature process, holds the promise of scalability and versatility of application.
Last, we tried to develop all dip-coated fiber OLEDs, a near ideal form of inexpensive manufacturing. Given the findings in this dissertation, we believe that this work represents an important milestone on the way toward low-cost commercially feasible, wearable displays. This, in turn, could reveal the easiest way to achieve low-cost mass-produced fiber-based light emitting devices using a roll-to-roll process.
재료 과학과 전자 기술의 발전은 전자 기기의 폼 팩터를 거의 인식할 수 없는 수준으로 소형화할 수 있게 되었으며, 기존의 하드 일렉트로닉스의 시공간적인 한계을 극복할 수 있는 역량으로 웨어러블 전자 기기는 최근 많은 주목을 받고 있다. 다양한 방법론들 중 전기적인 기능을 인간 친화적인 의류에 접목하려는 전자 섬유 연구는 직물과 섬유 단계에서 연구가 되어왔다. 기존의 연구 결과들은 대부분 트랜지스터, 센서, 광전지 및 전도성 섬유 등에 국한되었고, 웨어러블 디스플레이에 대한 연구는 거의 없었습니다.
보다 유망한 응용 분야 중 하나인 웨어러블 디스플레이는 패션 산업과 최첨단의 전자 기술의 융합으로 새롭게 부상하고 있다. 섬유 기반의 웨어러블 디스플레이는 유연성, 편안함, 내구성, 그리고 세탁성과 같은 직조된 직물의 고유한 특성을 잃지 않고, 디스플레이 기능을 부여할 수 있기 때문에 굉장히 바람직한 방법으로 여겨지고 있다. 높은 잠재력에도 불구하고, 섬유 기반 웨어러블 디스플레이를 구현하기 위한 시도는 거의 없었다.
이 논문은 디스플레이 기기가 단순히 평판 유리 혹은 필름 위에 생산되는 기존의 방식에서 벗어나, 원통형 섬유에 가장 적합한 딥 코팅 방법을 활용하여 원통형 섬유 기반의 유기 발광 다이오드를 개발했다.
또한, 섬유형 발광 소자에서 원통형의 기하학적인 구조로 인해 발생하는 독특한 전기적, 광학적인 특성을 분석하였다. 하지만, 이전에 보고된 섬유형태의 발광 디바이스와 마찬가지로, 평판형 발광 디바이스보다 성능과 신뢰성 측면에서 크게 뒤떨어진 결과를 보였다. 따라서, 본 연구의 분석 결과를 바탕으로, 원통형 섬유에 적합한 맞춤형 디바이스 구조를 제안하여 평판 디스플레이 기기와 필적하는 고성능의 섬유형 디스플레이 기기를 개발하고자 하였다.
본 학위 논문에서는 섬유 표면 전면으로 부족했던 전자 주입층을 보완하고자, 저온으로 용액 공정이 가능한 ZnO/PEI 바이레이어로 구성된 섬유 기반의 인버티드 유기 발광 다이오드를 구현하였다. 개발된 섬유형 유기 발광 다이오드는 전례없는 높은 휘도와 효율을 보여주었고, 특히 섬유형 유기 발광 다이오드에서 얻은 효율과 수명은 평판 유리 기반의 유기 발광 다이오드와 동등한 수준이었다. 이 결과는 최근 활발히 연구개발된 용액 공정으로 구현되는, 고효율의 유기 발광 다이오드 구조를 어떠한 성능 저하 없이 섬유에 적용할 수 있다는 점에서 큰 의의를 갖는다고 볼 수 있다. 또한, 개발된 섬유형 유기 발광 다이오드는 광 추출 효율, 유연성, 직조성 등과 같은 다양한 특성을 시연 및 분석하여 웨어러블 디스플레이에 적용에 가장 바람직한 방식이라는 것을 검증할 수 있었다. 공정적인 측면에서, 저온 공정으로 제안된 본 접근법은 뛰어난 확장성과 범용성을 보장한다는 것 또한 증명하였다. 마지막으로, 가장 이상적인 섬유형 웨어러블 디스플레이 디바이스 모델 중 하나인 전 과정을 딥코팅을 통해 형성한 섬유형 유기 발광 다이오드를 개발하였다.
이 논문에서 발견한 이러한 연구 결과를 바탕으로 본 연구는 저비용으로 상업적으로 실현가능한 웨어러블 디스플레이를 구현함에 있어서 중요한 이정표가 될 것으로 예상하며, 롤투롤 대량 생산 방식이 채택가능하기 때문에 저비용 대량생산을 성취할 수 있는 가장 손쉬운 방법을 개척했다고 볼 수 있다.
