25%늘려도 이미지 왜곡 없는 ‘스트레처블 디스플레이’ 개발

[산업일보]
스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있지만, 주요 소재인 엘라스토머 소재가 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다는 단점이 있었다.

한국기계연구원(이하 기계연)과 KAIST는 최근 면적을 25%까지 늘려도 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발했다.

스트레처블 디스플레이의 경우 이미지를 늘이는 과정에서 왜곡이 불가피 해 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.

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.

탄성률의 문제를 해결하기 위해서는 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 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.