일본이 수출 막은 폴더블폰 핵심 소재 국산화

생기연, 광학-기계적 특성 동시 개선한 불소계 폴리이미드 필름 개발

폴더블 디스플레이의 주름 문제를 해결할 신소재가 국산화됐다. 2019년 일본이 우리나라에 대한 수출을 규제한 3대 반도체·디스플레이 소재 중 하나인 불소계 폴리이미드 필름이다. 

한국생산기술연구원(원장 이낙규)은 친환경융합소재연구부문 홍성우 박사 연구팀이 기존 유리 기반 소재의 광 특성을 유지하면서도 굴곡 신뢰성을 갖춘 고강도 투명 유연 광학필름을 개발했다고 10일 밝혔다.

어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 표지

디스플레이를 접으면 안쪽에는 압축력이, 바깥쪽에는 인장력이 생기기 때문에 반복해서 디스플레이를 접으면 표면이 깨지거나 갈라지고, 주름지는 현상이 일어날 수 있다.

폴더블 디스플레이에 쓰이는 폴리이미드 광학필름은 전하이동복합체(CTC)라는 독특한 구조를 형성, 기계적 물성이 좋다. 복원력이 좋고 충격에 강하며, 연속 제막 공정을 통해 얇은 필름 형태로 만들 수 있다. 가볍고 유연한 디스플레이를 만들 수 있는 이유다. 

반면 낮은 파장대의 빛을 쉽게 흡수하는 CTC의 구조적 특성 때문에 필름이 노란색을 띠는 단점이 있다. 폴리이미드 필름의 광학 특성과 기계적 특성은 서로 반비례하는 '트레이드 오프(trade-off)' 현상을 보인다.  

홍성우 박사 연구팀은 광학 특성과 기계적 특성을 동시에 살린 불소계 폴리이미드 필름 개발에 성공했다. 폴리이미드에 부피가 큰 탄화불소를 도입, CTC로 인해 강력하게 결합돼 있는 폴리이미드 사슬 간 거리를 떨어뜨려 광 특성을 확보했다.

또 물리적 거리를 제어하는 것과 비례해 기계적 물성이 저하되는 문제를 해결하기 위해 폴리이미드 사슬 간 수소 결합 및 금속 이온 결합 확률을 높였다. 이를 통해 CTC의 상호작용력을 증폭시켜 트레이드 오프 현상을 극복했다. 

연구진이 개발한 폴리이미드 필름은 탄성계수 8㎬ 이상, 전체 투과율 90%, 황색지수 3 이하를 나타냈다. 20만회 이상 접었다 폈다 해도 깨짐이나 갈라짐, 주름이 발생하지 않았다. 

홍성우 박사는 "차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이자 국산화가 시급한 소재라는 점에서 불소계 폴리이미드에 주목했다"라며 "확보한 성과를 바탕으로 롤러블·웨어러블·스트레처블 등 플렉시블 디스플레이 전반에 적용할 수 있는 소재 개발에 매진하겠다"고 밝혔다.

이번 연구는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 게재됐다.