균일한 키리가미 패터닝이 적용된 투명 전이형 신축성 전자소자를 이용한 고신뢰성 섬유 기반 광·열 융합형 웨어러블 유기발광다이오드 플랫폼 : 인체 부착형 차세대 웨어러블 디스플레이를 위한 융합형 발광·발열 플랫폼 = Textile-Integrated Wearable Organic Light-Emitting Diode Platform with Uniform Kirigami-Structured Transferable Transparent Stretchable Electronics for Reliable Light-Emitting and Heating Functions:A Convergent Light-and-Heat Emitting Platform for Next-Generation Skin-Attachable Wearable Displays

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To realize next-generation wearable devices that simultaneously satisfy high transparency and mechanical stretchability, this study developed a transparent transferable stretchable electronic device by integrating Mg:Ag-based ultrathin metallic electrodes with a uniformly engineered Kirigami structural design. Based on this architecture, a textile-integrated photothermal–photonic wearable OLED platform was fabricated, in which a planar-emission OLED and a Joule-heating ultrathin heater are configured into a monolithic structure capable of delivering light and heat either independently or simultaneously.
The Kirigami cutting distance d was precisely controlled within the 0.5–1.25 mm range to evaluate mechanical and electrical stability. The d = 0.75 mm configuration exhibited optimal stretch-retention capability, conductive stability, and uniform photothermal performance. The Mg:Ag (9:1) ultrathin alloy electrode provided superior optical transmittance and reduced sheet resistance compared to a conventional Ag single-metal electrode, enabling highly efficient light emission and heating. Furthermore, introducing a capping layer (CPL) mitigated interfacial roughness and charge-injection asymmetry often observed at metal–organic interfaces, thereby significantly improving the electro-optical stability and color uniformity of the OLED.
For application-level validation, the SHOLED(Stretchable Heating OLED)—enabled by its transferable architecture—was stably laminated onto textile substrates and utilized for PPG(Photoplethysmography) sensing, niacinamide skin-absorption experiments, and HaCaT cell-based photothermal stimulation studies. In PPG measurements, the platform’s high transparency and uniform planar illumination enhanced the signal-to-noise ratio (SNR), while stable waveform acquisition was maintained even under tensile deformation.
In the niacinamide transdermal absorption experiment, localized temperature elevation (approximately 38–42 °C) achieved through Joule-heating temporarily increased skin-barrier permeability, resulting in a significant enhancement in niacinamide penetration. This is consistent with the mechanism in which elevated temperature induces lipid loosening in the stratum corneum and increases the molecular diffusion coefficient. Owing to its uniform heating characteristics, the SHOLED provided enhanced absorption effects without generating hot spots typically observed in conventional patch-type heaters.
In HaCaT cell-stimulation studies, photonic and thermal stimuli were applied independently and in combination. Photonic stimulation induced increased metabolic activity and mild ROS signaling, while thermal stimulation enhanced circulation-mimicking diffusion and cell dynamics. When combined, photothermal stimulation synergistically promoted cell activation (increased S-phase proportion), enhanced cell motility, and upregulated extracellular-matrix-related protein expression—demonstrating that SHOLED-based photothermal modulation elicits stronger physiological responses than single-modality stimulation and offers potential for non-invasive therapeutic applications.
Overall, the Mg:Ag-based Kirigami stretchable platform developed in this study presents high transparency, durability, and functional integration, establishing its potential as a high-performance wearable device for applications such as enhanced transdermal delivery, cellular modulation, photothermal therapy, and textile-integrated healthcare monitoring.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 투명성과 신축성을 동시에 만족하는 차세대 웨어러블 디바이스를 구현하기 위해, Mg:Ag 기반 초박막 금속 전극과 정밀한 Kirigami 구조 설계를 결합한 투명 전이형 신축성 전자소자를 개발하고 이를 기반으로 섬유형 광·열 융합 OLED 플랫폼(Stretchable Heating Organic Light-Emitting Diode)을 제작하였다. SHOLED는 면광원 OLED와 Joule-heating 기반 초박막 히터를 하나의 구조로 통합하여, 빛과 열을 동시에 혹은 독립적으로 제어할 수 있는 복합 기능성을 제공한다.
Kirigami 구조의 절개 간격 d를 0.5–1.25 mm 범위에서 조절하여 기계적·전기적 안정성을 평가한 결과, d = 0.75 mm 조건에서 가장 우수한 신축성 유지, 전도성 안정성, 균일한 발열·광출력 특성이 확보되었다. 또한 Mg:Ag(9:1) 초박막 합금 전극은 기존 Ag 전극에 비해 높은 투과율과 낮은 시트저항을 제공해 발광 및 발열의 효율적 구동이 가능하였으며, CPL(Capping Layer)의 도입은 금속–유기 계면의 거칠기 및 주입 비대칭 문제를 완화해 OLED의 전기광학적 안정성과 색 편차 감소에 크게 기여하였다.
응용 단계에서 SHOLED는 전이형 구조를 통해 섬유 표면에 안정적으로 부착되었으며, 이를 활용하여 PPG(Photoplethysmography) 측정·나이아신아마이드 피부 흡수 실험·HaCaT 세포 기반 광·열 자극 실험을 수행하였다. PPG 실험에서는 SHOLED의 높은 투명도와 면광원 기반의 균일한 광 조사 특성 덕분에 SNR이 향상되고, 인장 변형 상황에서도 파형 안정성이 유지됨을 확인하였다. 나이아신아마이드 흡수 실험에서는 SHOLED의 Joule-heating 기능을 통해 국소 온도가 38–42 °C로 상승하자 피부 장벽의 일시적 투과성이 증가하며 흡수량이 유의하게 증가하였다. 이는 각질층 지질 배열의 느슨화와 확산 계수 증가라는 기존의 피부 흡수 메커니즘과 일치하며, SHOLED가 균일한 열 분포를 제공해 과열점 없이 안정적 흡수 향상 효과를 달성함을 의미한다.
HaCaT 세포 기반 광·열 자극 실험에서는 발광과 열 자극을 단독 또는 복합적으로 인가한 결과, 광 자극은 세포 대사 활성과 경미한 ROS 증가를 유도하였고 열 자극은 세포 내 순환·확산 속도를 높였다. 특히 두 자극을 함께 인가한 경우 S-phase 비율 증가, 세포 이동성 향상, ECM 단백 발현 증가 등 보다 강한 생리적 반응이 나타났으며, 이는 SHOLED의 복합 자극이 단일 자극보다 효과적임을 입증하여 비침습적 치료 플랫폼으로서의 가능성을 크게 뒷받침한다.
종합적으로 본 연구에서 제안한 Mg:Ag 기반 Kirigami 신축성 플랫폼은 높은 투명성·내구성·광열 기능 통합성을 모두 갖춘 차세대 웨어러블 소자로, 피부 흡수 개선·세포 반응 조절·광열 치료·전자섬유 기반 헬스케어 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 잠재력을 지닌다. 또한 본 플랫폼은 전이형 구조를 통해 의류 기반 스마트 시스템까지 확장 가능해 향후 고기능 웨어러블 헬스케어 기술 발전에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 제2장 이론적 배경 6
• 2.1 투명 디스플레이 기술의 개요 6
• 2.2 스트레처블 디스플레이 기술의 개요 11
• 2.3 OLED의 기본 구조와 발광 원리 18
• 2.4 CPL(Capping Layer)의 개념과 역할 21
• 2.5 Joule-heating 기반 투명 히터의 원리와 역할 25
• 제3장 히터 및 전극 특성 분석 33
• 3.1 키리가미 구조 최적화 33
• 3.1.1. Kirigami 패터닝 및 CO2 레이저 기반 제조 기술의 특성 33
• 3.1.2. 절개 간격(d) 변화에 따른 Kirigami 구조 최적화 36
• 3.2 Mg 기반 초박막 전극의 두께 최적화 40
• 3.3 Kirigami 기반 투명 히터의 성능 분석 46
• 3.3.1. 전극 재료에 따른 구동 특성 비교 46
• 3.3.2. 절개 간격(d)에 따른 Kirigami 히터의 발열 효율 최적화 51
• 제4장 투명 스트레처블 히팅 유기발광다이오드 55
• 4.1 투명 스트레처블 히팅 유기발광다이오드 제작공정 55
• 4.1.1 Kirigami 기반 스트레처블 기판 제작 및 맞춤형 마스크 설계 55
• 4.1.2 평탄화 공정 및 투명 스트레처블 히팅 OLED 제작 57
• 4.1.3 봉지(Encapsulation) 공정 60
• 4.2 투명 스트레처블 히팅 유기발광다이오드의 CPL층 최적화 63
• 4.3 투명 스트레처블 히팅 유기발광다이오드 성능 측정 및 분석 69
• 4.3.1 투명 스트레처블 히팅 유기발광다이오드 전기광학적 특성 69
• 4.3.2 봉지(Encapsulation) 신뢰성 평가 73
• 제5장 투명 스트레처블 히텅 유기발광다이오드의 응용 77
• 5.1 투명 스트레처블 히팅 OLED의 PPG 측정 77
• 5.1.1 투명 스트레처블 히팅 OLED의 PPG 측정 실험 설계 및 원리 77
• 5.1.2 투명 스트레처블 히팅 OLED PPG 신호 분석 79
• 5.1.3 신축성에 대한 PPG 측정 83
• 5.2 나이아신아마이드 열 자극 흡수 실험 84
• 5.2.1 유기발광다이오드 기반 열 자극 흡수 실험 설계 원리 84
• 5.2.2 유기발광다이오드 기반 열 자극 흡수 실험 설계 및 분석 86
• 5.3 HaCaT 세포 기반 온도·광 자극 실험 88
• 5.3.1 유기발광다이오드 기반 세포실험 실험 설계 88
• 5.3.2 HaCaT 세포 기반 온도·광 자극 실험 분석 90
• 제6장 결론 92
• 참고문헌 95
• ABSTRACT 101
• 발표논문 104