국내 연구진이 25%까지 늘려도 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고, 15% 비율로 5000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형 스트레처블 디스플레이를 개발했다.국내에선 최초 개발이다. 스트레처블 디스플레이가 공간 활용성, 디자인 자유도 및 유연성 등의 장점으로 차세대 디스플레이로 주목 받고 있는 가운데 이번 개발로 기술력 신장이 한층 고도화될 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST)은 배병수 신소재공학과 교수 연구팀이 한국기계연구원과 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 트레처블 디스플레이는 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머(고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재) 소재를 기반으로 제작한다. 문제는 이들 소재는 디스플레이를 늘릴 때 이미지 왜곡이 불가피하다는 단점을 가지고 있다.

이를 해소하기 위해 옥세틱 메타 구조가 도입됐다. 옥세틱은 일반적인 재료들과 달리 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 독특한 구조다. 음의 푸아송비는 일반적으로 가로로 늘릴 때 세로가 수축하는 양(+)의 값과 달리 가로, 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율을 일컫고 음(-)의 값으로 표현된다. 옥세틱 구조 역시 문제가 없는 것은 아니다. 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아서 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.

배병수 교수 연구팀은 이미지 왜곡 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 가장 이상적인 음의 푸아송비 한계치를 구현하는 기술을 개발했다. 아울러 탄성률(재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율) 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 직경의 유리 섬유 다발로 만든 직물을 엘라스토머 소재 속에 넣었다. 여기에 동일한 엘라스토머 소재로 빈 공간을 채워넣어 빈 공간이 없는 편평하고 안정적인 일체형 필름을 제작했다.

연구팀은 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 준다는 것을 이론적으로 규명했다. 23만배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 -1의 푸아송비를 나타내는 필름을 개발했다.

배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데 어려움을 겪었다”며 “표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.

연구에는 이융 KAIST 신소재공학과 박사와 장봉균 한국기계연구원 박사가 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 지난 달 20일 출판됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.