한국생산기술연구원

폴더블 스마트폰, 주름 없이 오래 쓴다

- 일본 3대 수출 규제 품목 중 하나인 '불소계 폴리이미드' 국산화

- 세계 최고 수준의 유연 광학필름 제조, 폴더블 디스플레이 적용 기대 

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 폴더블 디스플레이의 주름 문제를 해결한 불소계 폴리이미드 기반 광학필름 개발에 성공했다. 

ㅇ 생기원 친환경융합소재연구부문 홍성우 박사 연구팀은 기존 유리 기반 소재의 광 특성을 유지하면서도 굴곡 신뢰성을 갖춘 고강도 투명 유연 광학필름을 개발했다고 밝혔다.

□ 디스플레이를 접으면 안쪽에는 압축력이, 바깥쪽에는 인장력이 발생하기 때문에 반복해서 디스플레이를 접을 경우 표면이 깨지거나 갈라지고, 주름지는 현상이 발생할 수 있다. 

ㅇ 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 대표적인 광학 신소재 중 하나가 바로 플라스틱 기반의 ‘유연 광학필름’이다. 

□ 폴더블 디스플레이에 사용되는 유연 광학필름은 범용 플라스틱 대비 뛰어난 물성 및 특성을 가지는 엔지니어링 플라스틱으로 제조해야 한다. 

ㅇ 폴리이미드(Polyimide)는 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로, 전하이동복합체(Charge Transfer Complex ; CTC)라는 독특한 구조를 형성해 범용 플라스틱은 물론 일반 엔지니어링 플라스틱보다 기계적 물성이 탁월하다. 

ㅇ 또한 복원력이 좋고 충격에 강하며, 연속 제막공정을 통해 얇은 필름 형태로 만들 수 있어 가볍고 유연한 디스플레이 구현이 가능하다. 

ㅇ 반면 낮은 파장대의 빛을 쉽게 흡수하는 CTC의 구조적 특성으로 인해 필름이 노란색을 띠는 치명적인 단점이 있다. 

ㅇ 이러한 현상을 폴리이미드의 기계적 물성 및 광 특성 간 트레이드 오프(Trade-Off)라고 부르며, 노트북, TV, 폴더블 스마트폰을 비롯한 플렉시블(Flexible) 제품군 적용 시 가장 큰 문제점으로 꼽혀 왔다.

□ 홍성우 박사 연구팀은 CTC 제어를 통해 트레이드 오프를 극복함으로써 세계 최고 수준의 물성 및 특성을 가지는 새로운 불소계 폴리이미드 개발에 성공했다.

ㅇ 먼저, 폴리이미드에 부피가 큰 탄화불소를 도입, CTC로 인해 강력하게 결합되어 있는 폴리이미드 사슬 간 거리를 떨어뜨리는 방식으로 광 특성을 확보했다. 

ㅇ 반면 물리적 거리를 제어하는 것과 비례해 기계적 물성이 저하되는 문제를 해결하기 위해 폴리이미드 사슬 간 수소 결합 및 금속 이온 결합 확률을 높이는 방식으로 

   CTC의 상호작용력을 증폭시킴으로써 트레이드 오프 현상을 극복할 수 있었다. 

ㅇ 그 결과 탄성계수 8㎬ 이상, 전체 투과율 90%, 황색지수 3 이하를 나 타내고, 20만회 이상 폴딩·언폴딩 후에도 일체의 깨짐, 갈라짐, 주름도 발생하지 않는 

    유연성 및 굴곡 신뢰성을 가진 광학필름 제조에 성공했다. 

ㅇ 특히 탄화불소 그룹을 도입한 투명 폴리이미드는 불소 원자를 포함하 고 있어 불소계 폴리이미드로 분류되며, 불소계 폴리이미드는 일본 3 대 수출규제 품목 중 하나로, 

    차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이다.

□ 연구를 주도한 홍성우 박사는 “차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이자 국산화가 시급한 소재라는 점에서 불소계 폴리이미드에 주목했다”고 말하며, 

 “확보한 성과를 바탕으로 롤러블·웨어러블·스트레처블 등 플렉시블 디스플레이 전반에 적용할 수 있는 소재 개발에 매진하고 싶다”는 뜻을 밝혔다.

ㅇ 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재*되었으며, 올해 5월 해당 학술지 표지로 선정되었다.   

    * 논문명 : Highly Transparent, Colorless Optical Film with Outstanding Mechanical 

                 Strength and Folding Reliability Using Mismatched Charge-Transfer Complex 

                 Intensification, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111040