KAIST-KIMM, 5천 번 늘려도 변형없는 차세대 디스플레이 소재 국내 첫 개발

국내 연구진이 가로, 세로로 15% 정도로 5천회 가량 늘려도 정상 성능을 발휘하는 차세대 디스플레이 소재를 처음 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(KIMM)과 공동으로 최대 25%까지 늘려도 이미지 왜곡이 거의 없는 무변형(음의 푸아송비) 스트레처블 마이크로 LED 소재를 국내 최초로 개발했다고 20일 밝혔다.

음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1)는 가로, 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율을 말한다. 음(-)의 값으로 표현한다. 반면 가로를 늘릴 때 세로가 줄어드는 것은 양(+)의 값으로 나타낸다.

현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머 소재를 기반으로 제작된다. 하지만 이 소재는 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지가 왜곡되는 단점이 있다.

엘라스토머 (elastomer)는 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재다.

과학기술계는 이 단점의 해결방안으로 옥세틱 메타 구조를 도입했다. 옥세틱 구조는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 같이 늘어나는 ‘음의 푸아송비’를 갖는 특수한 기하학적 구조다.

그러나 일반적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.

연구팀이 이 문제를 해결했다. 옥세틱메타 구조의 다공성 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 –1의 푸아송비(가장 이상적인 음의 푸아송비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.

재료의 변형 정도를 나타내는 탄성률 문제도 풀었다. 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25㎛ 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. 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계값인 –1의 푸아송비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.

연구팀은 이 필름 제작을 통해 옥세틱 구조와 빈 공간의 엘라스토머 소재 간 탄성률 차이가 음의 푸아송비에 직접적인 영향을 주는 것도 과학적으로 규명했다.

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배병수 교수는 “표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 고해상도 디스플레이 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

배 교수는 또 "관련 시장은 아직 형성되지 않았지만, 평면 디스플레이를 곡면이나 구형에 적용한다면 유용한 기술"이라며 "음의 푸아송비를 구현한 스트레처블 디스플레이는 거의 없는 것으로 안다"고 부연설명했다.

KAIST 신소재공학과 이융 박사와 한국기계연구원 장봉균 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다.

연구는 한국연구재단의 선도연구센터 웨어러블 플랫폼소재 기술센터와 한국기계연구원, LG디스플레이의 지원을 받았다.