차세대 디스플레이, 투명 스트레처블 기판 개발

기존 기판의 한계를 극복한 왜곡 없는 신축성 디스플레이

신축성 디스플레이 소재는 차세대 디스플레이 시장에서 주목받고 있으며, 자유롭게 늘어나고 구부러질 수 있는 장점이 있다. 그러나 기존 소재는 화면 왜곡과 부적절한 밀착 문제를 초래해 실용성에 한계를 보였다.

일반적인 탄성 기판은 푸아송 비율(Poisson’s ratio) 현상으로 인해 한쪽 방향으로 늘어날 때 수직 방향으로 수축하면서 화면이 찌그러지는 문제가 있다. 특히, 피부에 밀착되는 웨어러블 전자기기의 경우, 신축 과정에서 피부를 잡아당기거나 주름이 생겨 착용감과 성능이 저하될 위험이 크다.

이에 한국과학기술연구원(KIST) 손정곤 박사 연구팀과 서울대학교 홍용택 교수 연구팀은 푸아송 비율을 획기적으로 낮춘 나노구조 정렬 ‘투명 스트레처블 기판’을 개발했다. 이 연구는 국제 학술지 ‘Advanced Materials’에 게재됐다.

푸아송 비율을 낮추면서도 투명성 유지

이번 연구의 핵심은 푸아송 비율을 낮추면서도 화면 왜곡과 빛 산란 문제를 동시에 해결한 것이다.

연구팀은 두 가지 핵심 아이디어를 적용했다.
1. 블록 공중합체(Block Copolymer) 활용
블록 공중합체(SIBS)를 이용해 내부 나노구조를 정렬시켰다. SIBS는 단단한 폴리스티렌(PS)과 유연한 폴리부틸렌(PIB)으로 구성되며, 특정 방향으로 배열해 수직 및 평행 방향의 탄성 차이를 극대화하여 수축을 줄였다.

2. 전단 롤링(Shear-Rolling) 공정 도입
고온에서 롤러와 기판 사이의 속도 차이를 이용해 균일한 전단력을 가하는 방식으로 나노구조를 균일하게 정렬했다. 이 방법은 기판의 투명성을 유지하면서도 두꺼운 기판에서도 안정적인 나노구조 정렬을 가능하게 했다.

기존 기판과 비교한 실험 결과

연구팀은 신축성 기판을 실제 전자기기에 적용하여 픽셀 배열 변화를 관찰했다.

기존 탄성 기판은 50% 늘어날 경우 픽셀 간격이 불규칙해지고, 수직 방향 픽셀이 뭉치는 현상이 발생했다. 반면, 나노구조 정렬 기판은 픽셀이 균일하게 배치되어 깨끗한 화면과 주름 없는 투명한 표면을 유지했다. 일반적인 탄성 소재의 푸아송 비율이 0.4~0.5 수준인데 비해, 연구팀이 개발한 기판은 0.07 이하로 낮아져 늘어난 상태에서도 수직 수축이 거의 발생하지 않고 화면 왜곡이 크게 줄어든 것으로 확인됐다.

차세대 디스플레이 및 산업적 응용 기대

이번 연구를 통해 개발된 투명 스트레처블 기판은 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 태양전지 등의 핵심 소재로 활용될 것으로 기대된다. 또한, 전단 롤링 공정은 다른 블록 공중합체 및 고분자 필름에도 적용 가능해, 대면적 공정에도 적합한 산업화 기술로 평가받고 있다.

KIST 손정곤 박사는 “이번 연구는 나노구조를 정밀하게 제어하여 왜곡 없는 완전 투명 신축성 기판을 개발하는 새로운 방법을 제시한 것”이라며, “도입된 전단 롤링 공정은 대량 생산과 산업화에 쉽게 적용될 수 있다”고 밝혔다.

현재 연구팀은 이 기판을 실제 디스플레이 발광 소자에 적용하여 신축 상태에서도 왜곡이 없는 디스플레이를 구현하는 후속 연구를 진행 중이다.

김희원 기자/ hello@sciencewave.kr