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손정곤 교수팀, `늘려도 찌그러짐 없는 완전투명 스트레처블 디스플레이 기판` 개발
2025.01.16 Views 477
손정곤 교수팀 '늘려도 찌그러짐 없는 완전투명 스트레처블 디스플레이 기판' 개발
허정 박사과정(제1저자), 손정곤 교수(교신저자)
허정 박사과정(제1저자), 손정곤 교수(교신저자)
- 비를 확 낮추는 ‘블록 공중합체 나노 정렬’ 기술로 완전 투명하면서 왜곡 없는 디스플레이 기판 구현
- 전단압연 공정 도입해 대면적·고투명성 스트레처블 기판 상용화 가능성 제시
탄성을 지닌 디스플레이 소재는 펼치고 구부리는 등 자유로운 변형이 가능해 차세대 디스플레이 시장에서 큰 관심을 받고 있다. 하지만 일반적인 탄성체 기판을 한쪽 방향으로 늘리면 수직 방향으로 오그라드는 ‘포아송 비(Poisson’s ratio)’ 현상 때문에, 화면이 일그러져 보이거나 픽셀이 뒤틀려 편안한 시야를 확보하기 어려웠다. 또한, 웨어러블 기기나 유연 센서처럼 몸에 밀착되는 전자 제품의 경우, 기판이 늘어나고 줄어드는 과정에서 피부와 맞닿는 부분이 과도하게 당겨지거나 주름이 생기면 착용감이 떨어지고 장치 성능에도 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 기판이 늘어날 때 세로 방향으로 크게 수축하지 않는, 즉 포아송 비를 낮춘 ‘스트레처블 기판’ 개발이 업계의 핵심 과제가 되어왔다.
최근 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 전자융합소재연구센터 센터장인 손정곤 박사팀과 서울대학교 홍용택 교수 연구팀이 이러한 문제를 해결하고, 동시에 투명성까지 유지하는 새로운 ‘나노구조 정렬 스트레처블 기판’을 개발해 주목을 받고 있다. 이 기판은 기존의 주름(wrinkle) 구조나 복잡한 기하학적 오그제틱 구조를 사용하지 않고도, 내부에 나노 단위로 배치된 실린더형 블록 공중합체 탄성체가 한 방향으로 정렬되도록 만들어 포아송 비를 극적으로 낮췄다. 그 결과, 화면을 크게 늘려도 세로 방향으로는 거의 수축하지 않아 상(像)의 왜곡이 눈에 띄게 줄어든다. 뿐만 아니라 나노구조가 가시광선보다 훨씬 작은 크기로 배열되어 있어, 빛의 산란이나 굴절 현상이 발생하지 않아 기판 투명도가 줄어들지 않는다는 점도 핵심 성과 중 하나다.
연구진은 두 가지 핵심 아이디어를 결합해 이번 성과를 달성했다. 첫 번째는 자연적으로 수십 나노미터 크기의 나노구조를 형성하는 블록 공중합체(thermoplastic elastomer)를 한 방향으로 정렬해, 굴곡성과 고무 같은 유연함은 그대로 유지하면서 특정 방향으로 높은 강성을 갖게 만드는 것이다. 특히, 기존에는 블록공중합체의 나노구조가 주로 반도체 공정을 위한 나노 패터닝에 주로 활용되었으나, 본 연구진은 이 나노구조가 소재의 기계적 특성을 변화할 수 있음에 주목하였다. 이때 딱딱한 ‘폴리스티렌(PS) 나노실린더’와 부드러운 ‘폴리부틸렌(PIB) 매트릭스’가 한 방향으로 고르게 늘어서면, 늘리는 방향과 수직 방향의 탄성 거동이 크게 달라져 포아송 비가 0.07 이하까지 뚝 떨어진다. 일반적인 탄성체가 0.4~0.5 수준의 포아송 비를 보이는데, 이를 획기적으로 낮춘 셈이다.
두 번째 아이디어는 이러한 나노구조를 투명하고 두꺼운 기판 전체에 걸쳐 고르게 정렬하는 '전단압연(shear-rolling)' 공정이다. 이는 고온에서 회전 롤러와 스테이지 간 속도 차이를 주어, 두꺼운 기판 필름 전체에 균일한 전단력을 가하는 방식이다. 그 결과, 탄성체 내부의 나노 실린더들이 모두 동일한 방향으로 배열되면서 두꺼운 기판에서도 투명도의 저하 없이 안정적인 나노 정렬 효과를 얻었다. 실험에 따르면 전단 공정 온도를 180°C 이상으로 높일 때 나노 실린더들의 정렬도가 극대화되어, 기판을 약 50% 이상 늘렸을 때도 세로 방향 수축이 거의 보이지 않았다.
추가적으로 연구진은 기판을 실제 소자에 적용해, 화면에 픽셀이나 miniLED를 부착한 상태에서 늘렸을 때 이미지가 어떻게 변형되는지 관찰했다. 그 결과 일반 탄성체 기판은 약 50% 늘림만으로도 가로열 픽셀 사이 간격이 들쭉날쭉해지거나 세로 방향 픽셀이 서로 붙어보이는 등의 ‘왜곡’이 심했으나, 나노구조 정렬 기판은 세로 방향 수축률이 크게 줄어들어 픽셀이 고르게 배열되어 보였다. 또한 기판 표면에 주름이나 거친 요철이 생기지 않아, 빛이 난반사되거나 흐릿하게 보여지는 문제도 발생하지 않았다.
본 연구팀이 개발한 왜곡 없는 투명 스트레쳐블 기판용 나노구조 필름은 높은 투명도와 뛰어난 인장 안정성을 바탕으로 차세대 변형가능한 디스플레이 및 웨어러블 전자기기, 그리고 신개념 태양전지의 핵심 소재로 사용될 수 있다. 또한, 전단압연 공정은 다른 블록공중합체 또는 배향을 위한 고분자 필름에 대해서도 범용적으로 적용 가능한 기술로 간단하면서도 넓은 면적에 적용할 수 있어 다양한 산업에 폭넓게 활용될 수 있다.
KIST 손정곤 박사는 “본 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡이 없으면서도 완전하게 투명한 스트레쳐블 기판을 개발하는 새로운 방식을 제안하였으며 이를 구현하기 위한 전단압연 기술은 대량생산과 산업화에 쉽게 적용할 수 있다.”라고 말하며, “현재 이 기판을 활용하여 디스플레이 발광 소자를 전사하여 인장 시에도 왜곡 없는 실제 디스플레이 디바이스를 구현하는 연구를 수행중이다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 KIST 기관고유사업 (2E33191) 및 중견연구자지원사업(2022R1A2B5B02001597), STEAM 사업 (RS-2024-00451691) 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「Advanced materials」 (IF 27.4 JCR 분야 상위 2.4%)에 12월 12일 게재(온라인)되었다.
* 논문명 : Fully Transparent and Distortion-Free Monotonically Stretchable Substrate by Nanostructure Alignment
[그림 1]
(상) 엘라스토머 소재에서 발생하는 인장 시 왜곡 문제와 왜곡 없는 인장
(하) 엘라스토머 소재의 큰 푸아송 비율과 0의 푸아송 비율을 가지고 있는 섬유 일 방향 배향 복합체
[그림 2]
(상) SIBS 블록공중합체의 고분자 구조.
(하) SIBS 블록공중합체에서 상 분리에 의한 나노구조 형성.
[그림 3] 쉬어-롤링 공정을 통한 블록공중합체 나노구조 일방향 배향
[그림 4]
(상) 전단압연 SIBS 필름의 기계적 이방성, 투명도, 푸아송 비율 측정
(중),(하) 일반적인 SIBS 필름과 전단압연 SIBS 필름의 인장 시 모양과 이미지 비교
