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유리처럼 투명한 '유연 디스플레이' 기판용 소재 개발

김상율 KAIST 교수 "유기소재 열팽창 제어 응용 가능"
투명한 폴리아마이드이미드 고분자의 화학구조(A). 필름 사진(B). 조성에 따른 열팽창 계수의 변화와 투명도(C).<사진=KAIST 제공>투명한 폴리아마이드이미드 고분자의 화학구조(A). 필름 사진(B). 조성에 따른 열팽창 계수의 변화와 투명도(C).<사진=KAIST 제공>

국내 연구팀이 유리처럼 투명한 유연 디스플레이 기판용 소재를 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 김상율 화학과 교수 연구팀이 투명 유연 디스플레이를 제작할 수 있게 해주는 고분자를 합성하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

차세대 디스플레이로 유망한 투명하면서도 유연한 디스플레이를 제조하기 위해서는 유리와 같은 수준의 투명성과 열팽창계수를 가질 뿐만 아니라 휘어지고 접을 수 있는 기판소재가 필요하다.

그러나 고분자 소재 중 이러한 조건을 갖는 유연 고분자 소재는 알려진 바 없었다.

모든 물체는 열을 받으면 팽창하고 차가워지면 수축하는 성질을 갖는다. 세라믹이나 금속 소재에 비해 유기물질로 이뤄진 고분자 소재는 열에 의한 팽창이 상대적으로 매우 크다.

얇고 가벼운 평판디스플레이에 사용되는 반도체소자는 세라믹과 비슷한 열팽창계수를 갖고 있다. 열팽창계수의 차이가 큰 고분자 필름 위에 반도체소자를 만들게 되면 작동 시 발생하는 열에 의한 팽창과 수축의 차이로 소자가 파괴되는 문제가 발생한다.

따라서 반도체소자와 기판의 열팽창계수를 일치시키는 것은 성공적인 디스플레이를 제조하는데 중요한 일이다.

무정형인 투명한 고분자 물질의 열팽창계수를 줄이는 방법으로 고분자 사슬들을 연결시켜 망상구조(특정 다각형이 이어진 그물 모양의 구조)를 형성시키는 방법이 알려져 있다. 하지만 망상 구조를 갖는 고분자 물질은 유연성을 잃어버리고 필름으로 제조해도 유연하지 않게 된다.

연구팀은 문제 해결을 위해 고분자 사슬 간 거리를 조절하는 방식을 이용했다.

고분자 물질을 합성할 때 고분자 사슬 간에 상호작용하는 힘을 도입하고 힘의 방향이 수직으로 교차하게 만들며 사슬 간 거리를 적절히 조절하면 온도에 따른 팽창·수축을 억제할 수 있다. 연구팀은 이러한 화학구조를 투명한 고분자 물질에서 구현하는 데 성공했다.

연구팀이 합성에 성공한 새로운 고성능 고분자 물질인 투명한 폴리아마이드이미드 필름은 열팽창 정도가 유리 수준으로 낮으면서도(열팽창계수: 4ppm/oC) 유연하며 아몰레드(AMOLED) 디스플레이 제조공정에 적용할 수 있는 내열성을 갖고 있다.

연구팀은 새로 합성된 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 이그조 박막 트랜지스터(IGZO TFT) 소자를 제작해 필름을 반경 1mm까지 접어도 소자가 정상적으로 작동되는 것을 확인했다.

김상율 교수는 "이번 연구 결과는 그간 난제로 여겨졌던 무정형 고분자의 열팽창을 화학적 가교결합 없이 조절해 유리 정도 수준으로 낮추면서도 유연성을 확보하고 동시에 투명하게 만드는 방법을 제시 연구"라며 "다양한 유기소재의 열팽창을 제어하는 데 응용 가능할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난달 26일자 온라인판에 게재됐다.
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