[서울파이낸스 여용준 기자] 한국 연구진이 최대 25%까지 늘릴 수 있고 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하며 15% 비율로 5000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발했다. 이에 따라 차세대 웨어러블 디스플레이 개발에도 속도가 붙을 것으로 보인다.
'음의 푸아송 비(Poisson’s ratio of -1)'는 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현한다. 일반적인 물질과 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다.
KAIST는 배병수 신소재공학과 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원과 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. 엘라스토머는 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재를 말한다.
이를 해결하기 위해 옥세틱 메타 구조를 주로 사용하고 있다. 옥세틱 구조는 음(-)의 푸아송비를 나타내는 특수한 기하학적 구조로 일반적인 재료와 달리 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 '음의 푸아송비'를 갖는다. 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 비'를 갖는 옥세틱 메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 -1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.
또 탄성률의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25㎛(마이크로미터) 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 규명했다. 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 -1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.
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.
한편 KAIST 신소재공학과 이융 박사와 장봉균 한국기계연구원 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 8월 20일 출판됐다. 이번 연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받아 수행됐다.
