기계연-KAIST,

25% 늘려도 그대로인 스트레처블 디스플레이 개발

- 일반적인 물질과 달리 가로로 늘릴 때 세로 방향으로도 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 특수 구조를 이용, 늘려도 이미지 왜곡이 없는 디스플레이 구현 성공

- 차세대 디스플레이 폼팩터로 웨어러블 디스플레이 등에 빠른 응용 기대

□스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국기계연구원-KAIST 연구팀이 25%까지 늘릴 수 있으며 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비*) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발하여 화제다.

    * 음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1): 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현

□과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노디스플레이연구실 장봉균 선임연구원은 KAIST(총장 이광형) 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀과 공동연구를 통해, 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

□현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머* 소재를 기반으로 제작되고 있지만 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.

    * 엘라스토머 (elastomer) : 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재 

□ 이를 해결하기 위해 옥세틱* 메타 구조의 도입이 각광받고 있다. 옥세틱 구조는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 독특한 구조다. 그러나 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아서 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.

    * 엘라스토머 (elastomer) : 옥세틱 구조 (Auxetic structure): 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조

□연구팀은 먼저 이미지 왜곡의 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 -1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다. 

□두 번째 탄성률*의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 직경의 유리 섬유 다발로 만든 직물을 엘라스토머 소재 내에 삽입했다. 여기에 동일한 엘라스토머 소재로 빈 공간을 채워넣어 빈 공간이 없는 편평하고 안정적인 일체형 필름을 제작했다.

    * 탄성률: 재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율. 탄성률이 높으면 변형이 잘 일어나지 않는 재료임을 의미

□연구팀은 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간의 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 주는 것을 이론적으로 규명했으며, 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계 값인 -1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.

□기계연 장봉균 선임연구원은 “이번 연구는 음의 푸아송비를 구현한 기판 소재 개발로 스트레처블 디스플레이의 실용화 가능성을 한층 높였으며, 특히 안정적인 성능과 높은 신축성을 동시에 확보한 것이 큰 성과”라고 밝혔다.

□KAIST 배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심적인 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데에는 어려움을 겪고 있었다”라며 “이번 연구 결과를 통해서 표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

□기계연 장봉균 선임연구원과 KAIST 신소재공학과 이융 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다. (논문명: A seamless auxetic substrate with a negative Poisson's ratio of -1)

<음의 푸아송비 필름 기판의 개념도. 

a) 기존의 다른 기판들과의 비교. 본 연구에서 개발된 기판 필름만이 이미지의 왜곡 없는 모습을 보여준다. 

b) 필름의 내부 구조. c) 필름이 음의 푸아송비를 가지는 원리(그림제공=카이스트)>

<음의 푸아송비 필름의 변형 모습. a) 세로 방향으로 늘릴 때의 모습과 유한요소 시뮬레이션 결과.

 b) 2축 신장 이미지. 순수 엘라스토머 소재는 신장이 없는 방향으로 수축이 일어나는 데에 반해

 본 연구에서 개발한 음의 푸아송비 필름은 원래의 형태를 유지하면서 전 방향으로 동시에 팽창한다.(그림제공=카이스트)>

<이미지의 왜곡이 없는 스트레처블 디스플레이의 구조 개념도와 소자 현미경 이미지(사진제공=카이스트)>

<형상 왜곡 없는 스트레처블 디스플레이 소자의 개념도와 이미지(그림제공=카이스트)>