스크래치·주름 발생 줄인 폴더블 디스플레이
스크래치·주름 발생 줄인 폴더블 디스플레이
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.14 08:55
  • 조회수 584
  • 댓글 0
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요약

 

스크래치와 주름 발생을 줄인 폴더블 디스플레이가 개발됐습니다. 화면 평면부는 유리처럼 단단하고 이음부는 플라스틱처럼 유연한 복합 구조 형태라고 합니다. 연구팀은 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발했습니다. 개발된 신소재는 성형 가공이 자유로운 유리 소재의 일종으로 세라믹에 가까운 실리케이트(SiO2)와 실리콘 오일(SiO) 간 중간 수준의 물성을 지니도록 인위적으로 형성시킨 나노 구조체입니다. 연구팀은 이 신소재의 물성 조절을 통해 세계 최초로 폴더블폰의 양쪽 평면부는 단단하지만 힌지 부위는 유연하게 만든 복합구조 형태의 커버윈도우를 제작하는 데 성공했습니다.

한국생산기술연구원이 폴더블 디스플레이에 적용할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 독자 개발하고 이를 활용해 복합 구조 형태의 커버윈도우를 제조하는 데 성공했습니다. 화면 평면부는 유리처럼 단단하고 이음부는 플라스틱처럼 유연한 복합구조 형태라고 하는데요. 해당 연구성과는 미국의 세계적 출판사 '존 와일리 앤 선즈(John & Wiley Sons)'가 발행하는 재료 분야의 SCI 학술지인 <Journal of Applied Polymer Science>에 게재됐습니다. 또한 2019년 8월 국내 특허 출원 6건과 등록 3건을 완료하고 9월에는 미국에 특허를 출원했다고 합니다.

연구팀이 개발한 커버윈도우 시제품. 출처: 한국생산기술연구원
연구팀이 개발한 커버윈도우 시제품. 출처: 한국생산기술연구원

커버윈도우 소재, 어떤게 좋을까

 

스마트폰 등 각종 IT기기의 디스플레이 겉면에는 대부분 유리 소재로 만든 '커버윈도우(Cover Window)'가 부착돼 있습니다. 커버윈도우는 외부 충격이나 오염, 지문 등으로부터 디스플레이 기판을 보호해주는 핵심 부품으로 디스플레이 제작 공정에서 필수적으로 부착됩니다. 특히 터치 기능이 많이 쓰이는 IT기기의 경우 스크래치에 강하면서도 표면이 매끄러운 강화유리가 주로 활용돼왔습니다.

 

반면 폴더블폰은 기존 유리 소재 대신 유연성이 뛰어나 접고 펼칠 수 있는 플라스틱 소재인 '투명폴리이미드(Colorless Polyimide, CPI)'를 적용합니다. CPI로 만든 커버윈도우는 빛 투과율이 높고 깨지지 않으며 수십만 번을 접어도 견딜 수 있을 만큼 내구성이 강합니다. 

 

그러나 유리 소재보다 스크래치에 취약하고 접거나 펼칠 때 이음새 역할을 하는 힌지(Hinge) 부분에서 주름 등의 변형이 발생할 가능성이 높습니다. 이 같은 단점으로 인해 IT업계에서는 접을 수 있는 초박막 강화유리인 UTG(Ultra Thin Glass) 개발을 추진하고 있지만 유리 두께를 얇게 만드는 기술이 부족하고 수율도 낮아 양산에 어려움을 겪고 있었습니다. 

 

스크레치ㆍ주름 없이 접었다 폈다 

 

한국생산기술연구원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사 연구팀은 이러한 소재별 단점을 보완하기 위해 2015년 연구에 착수했습니다. 5년 간의 노력 끝에 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발했습니다. 

 

개발된 신소재는 성형 가공이 자유로운 유리 소재의 일종으로 세라믹에 가까운 실리케이트(SiO2)와 실리콘 오일(SiO) 간 중간 수준의 물성을 지니도록 인위적으로 형성시킨 나노구조체입니다. 규소(Si)와 산소(O) 간 연결 구조 및 비율을 조절함으로써 세라믹, 고무, 오일 등 단단한 것부터 부드러운 것까지 원하는 물성을 쉽게 만들어낼 수 있으며 특히 경도와 유연성처럼 서로 상충되는 물성도 하나의 시트 위에 구현 가능합니다. 

연구팀이 개발한 커버윈도우 시제품. 출처: 한국생산기술연구원
연구팀이 개발한 커버윈도우 시제품. 출처: 한국생산기술연구원

연구팀은 이 신소재의 물성 조절을 통해 세계 최초로 폴더블폰의 양쪽 평면부는 단단하지만 힌지 부위는 유연하게 만든 복합구조(Rigid-Soft-Rigid, RSR) 형태의 커버윈도우를 제작하는 데 성공했습니다. 제작된 커버윈도우의 경도는 강화유리에 가까운 9H 수준으로 높아 자동차 열쇠로 강하게 여러 번 긁어도 스크래치가 발생하지 않습니다. 참고로 하드코팅 경도(Hardness)의 단위는 숫자가 클수록 경도가 높습니다. 또한 곡률반경 1R 범위까지 휘어도 깨지지 않아 CPI 소재에 상응하는 유연성을 지녔고 20만회 가량의 반복 사용에도 내구성이 유지됩니다. 휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름을 뜻하며 값이 작을수록 많이 휘어집니다.

 

아울러 폴더블 방식 중 화면을 안쪽으로 접는 인폴딩(In-Folding)과 바깥으로 접는 아웃폴딩(Out-Folding) 모두 적용 가능해 활용도 역시 높습니다. 이밖에 연구팀은 자체 제작한 슬롯코터(Slot-Coater) 장비를 활용해 커버윈도우 연속 제작에도 성공함으로써 롤투롤(Roll-to-roll) 공정 기반의 양산 가능성을 검증해냈습니다.

생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사가 실험실에서 자체 제작한 커버윈도우의 투명도를 확인하고 있다. 출처: 한국생산기술연구원
생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사가 실험실에서 자체 제작한 커버윈도우의 투명도를 확인하고 있다. 출처: 한국생산기술연구원

정용철 박사는 "플렉시블 신소재는 폴더블폰 외에도 이차전지 분리막, 광학모듈 코팅, 자동차 곡면 폼 성형, 건축·가구 분야 등 활용범위가 광범위할 것으로 예상된다"라며 "커버윈도우 제조기술의 경우 완성도가 높아 조기 상용화가 기대된다"고 전했습니다. 

 

한편 시장조사업체 카운터포인트리서치는 폴더블폰 판매량이 2019년 40만대에서 2023년 3,680만대까지 급증할 것이라고 전망했습니다.


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