[기계신문] 한국생산기술연구원(이하 생기원)이 폴더블 디스플레이의 주름 문제를 해결한 불소계 폴리이미드 기반 광학필름 개발에 성공했다.
생기원 친환경융합소재연구부문 홍성우 박사 연구팀은 기존 유리 기반 소재의 광 특성을 유지하면서도 굴곡 신뢰성을 갖춘 고강도 투명 유연 광학필름을 개발했다.
디스플레이를 접으면 안쪽에는 압축력이, 바깥쪽에는 인장력이 발생하기 때문에 반복해서 디스플레이를 접을 경우 표면이 깨지거나 갈라지고, 주름지는 현상이 발생할 수 있다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 대표적인 광학 신소재 중 하나가 바로 플라스틱 기반의 ‘유연 광학필름’이다.
폴더블 디스플레이에 사용되는 유연 광학필름은 범용 플라스틱 대비 뛰어난 물성 및 특성을 가지는 엔지니어링 플라스틱으로 제조해야 한다.
폴리이미드(Polyimide)는 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로, 전하이동 복합체(Charge Transfer Complex, CTC)라는 독특한 구조를 형성해 범용 플라스틱은 물론 일반 엔지니어링 플라스틱보다 기계적 물성이 탁월하다.
또한 복원력이 좋고 충격에 강하며, 연속 제막공정을 통해 얇은 필름 형태로 만들 수 있어 가볍고 유연한 디스플레이 구현이 가능하다. 반면 낮은 파장대의 빛을 쉽게 흡수하는 CTC의 구조적 특성으로 인해 필름이 노란색을 띠는 치명적인 단점이 있다.
이러한 현상을 폴리이미드의 기계적 물성 및 광 특성 간 트레이드 오프(Trade-Off)라고 부르며, 노트북, TV, 폴더블 스마트폰을 비롯한 플렉시블(Flexible) 제품군 적용 시 가장 큰 문제점으로 꼽혀 왔다.
홍성우 박사 연구팀은 CTC 제어를 통해 트레이드 오프를 극복함으로써 세계 최고 수준의 물성 및 특성을 가지는 새로운 불소계 폴리이미드 개발에 성공했다.
먼저, 폴리이미드에 부피가 큰 탄화불소를 도입, CTC로 인해 강력하게 결합되어 있는 폴리이미드 사슬 간 거리를 떨어뜨리는 방식으로 광 특성을 확보했다.
반면 물리적 거리를 제어하는 것과 비례해 기계적 물성이 저하되는 문제를 해결하기 위해 폴리이미드 사슬 간 수소 결합 및 금속 이온 결합 확률을 높이는 방식으로 CTC의 상호작용력을 증폭시킴으로써 트레이드 오프 현상을 극복할 수 있었다.
그 결과 탄성계수 8 ㎬ 이상, 전체 투과율 90 %, 황색지수 3 이하를 나타내고, 20만 회 이상 폴딩·언폴딩 후에도 일체의 깨짐, 갈라짐, 주름도 발생하지 않는 유연성 및 굴곡 신뢰성을 가진 광학필름 제조에 성공했다.
특히 탄화불소 그룹을 도입한 투명 폴리이미드는 불소 원자를 포함하고 있어 불소계 폴리이미드로 분류되며, 불소계 폴리이미드는 일본 3대 수출규제 품목 중 하나로 차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이다.
홍성우 박사는 “차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이자 국산화가 시급한 소재라는 점에서 불소계 폴리이미드에 주목했다”며 “확보한 성과를 바탕으로 롤러블·웨어러블·스트레처블 등 플렉시블 디스플레이 전반에 적용할 수 있는 소재 개발에 매진하고 싶다”고 밝혔다.
이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재되었으며, 올해 5월 해당 학술지 표지로 선정되었다.
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