[기계신문] 한국기계연구원-KAIST 연구팀이 25%까지 늘릴 수 있으며 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송 비) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발해 화제다.
참고로, 음의 푸아송 비(Poisson’s ratio of -1)는 가로세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현한 것이다. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다.
한국기계연구원 나노디스플레이연구실 장봉균 선임연구원과 KAIST 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 공동 연구팀은 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.
현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이 뛰어난 엘라스토머(elastomer, 고무와 같은 탄성을 가지는 고분자 소재) 소재를 기반으로 제작되고 있지만, 해당 소재들은 양의 푸아송비를 가져 디스플레이를 늘릴 때 이미지의 왜곡이 불가피하다.
이를 해결하기 위해 옥세틱 메타 구조의 도입이 각광받고 있다. 옥세틱 구조(Auxetic structure)는 일반적인 재료와 달리, 한 방향으로 늘려도 전 방향으로 함께 늘어나는 ‘음의 푸아송 비’를 갖는 독특한 구조다. 그러나 전통적인 옥세틱 구조는 패턴으로 형성된 빈 공간이 많아 안정성과 공간 활용도가 떨어져 기판에서는 활용이 매우 제한적이다.
연구팀은 먼저 이미지 왜곡의 문제를 해결하기 위해 음의 푸아송 비를 갖는 옥세틱 메타 구조의 최대 난제인 다공성의 표면을 이음매 없이 매끈하게 하면서도 -1의 푸아송 비(가장 이상적인 음의 푸아송 비) 한계치를 구현하는 기술을 개발했다.
두 번째, 탄성률의 문제를 해결하기 위해 옥세틱 구조를 이루는 부분에 머리카락 두께의 4분의 1 수준인 25마이크로미터 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 푸아송 비에 직접적인 영향을 주는 것을 이론적으로 규명했으며, 23만 배 이상의 탄성률 차이를 구현해 이론적 한계 값인 -1의 푸아송 비를 나타내는 필름을 최초로 개발했다.
한국기계연구원 장봉균 선임연구원은 “이번 연구는 음의 푸아송 비를 구현한 기판 소재 개발로 스트레처블 디스플레이의 실용화 가능성을 한층 높였으며, 특히 안정적인 성능과 높은 신축성을 동시에 확보한 것이 큰 성과”라고 설명했다.
KAIST 배병수 교수는 “스트레처블 디스플레이에 옥세틱 구조를 활용한 이미지 왜곡 방지는 핵심적인 기술임에도 불구하고 표면에 빈 공간이 많아 기판으로 활용하는 데에는 어려움을 겪고 있었다”며 “표면 전체를 활용한 왜곡 없는 고해상도 스트레처블 디스플레이 응용을 통해 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”고 말했다.
한국기계연구원 장봉균 선임연구원과 KAIST 신소재공학과 이융 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 에 8월 20일 출판됐다.
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