- KAIST-한국기계연구원(KIMM), 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

KAIST 배병수 교수 연구팀이 한국기계연구원과 공동으로 이미지 왜곡 없이 25%까지 늘릴 수 있는 무변형 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발했다. 이 기술은 옥세틱 메타 구조를 도입해 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 기판 소재를 개발한 것으로, 고해상도 스트레처블 디스플레이 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다.

▲KAIST 신소재공학과 배병수 교수

스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국 연구진이 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 개발해 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 표현한다.

KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(원장 류석현)과 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(elastomer : 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재) 소재를 기반으로 제작되고 있지만 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.

이를 해결하기 위해 옥세틱(Auxetic structure : 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조) 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.

배병수 교수 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(재료에 힘을 가했을 때 변형되는 정도를 나타내는 비율. 탄성률이 높으면 변형이 잘 일어나지 않는 재료임을 의미한다)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.

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 한계값인 –1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.

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

KAIST 신소재공학과 이융 박사와 한국기계연구원 장봉균 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)

이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.

그림 1. 본 연구에서 개발된 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

그림 2. 본 연구에서 제작한 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.

그림 3. 본 연구에서 제작된 이미지의 왜곡이 없는 스트레처블 디스플레이의 구조 개념도와 소자 현미경 이미지.

그림 4. 본 연구에서 제작된 형상 왜곡 없는 스트레처블 디스플레이 소자의 개념도와 이미지.