POSTECH, 다중 화소도 균일하게 늘어나는 ‘스트레처블 디스플레이’ 기술 개발
  • ▲ 연구 관련 그림.ⓒ포스텍
    ▲ 연구 관련 그림.ⓒ포스텍
    POSTECH(포항공과대학교) 전자전기공학과 최수석 교수, 박사과정 신준혁 씨 등 연구팀이 스트레처블(stretchable) 디스플레이 연구의 난제를 해결하고, 균일한 멀티 픽셀 스트레칭 제어 기술을 최초로 개발했다. 

    이번 연구는 국제 학술지 중 하나인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 뒷표지(Back Cover) 논문으로 선정되며 학계의 주목을 받고 있다.

    현재 디스플레이 기술은 형태의 변형(Shape Deformable) 기술의 전 세계적인 기술 개발 경쟁이 치열한 상황이다. 이러한 흐름에서 폴더블, 벤더블, 슬라더블 등의 혁신적 디스플레이 기술이 개발되고 있다.

    최근에는 휘어짐을 넘어 늘어날 수 있는 스트레쳐블 디스플레이 기술이 최근 국내기업을 중심으로 빠르게 가시화되고 있다. 

    이러한 ‘스트레쳐블 디스플레이’ 기술은 단순히 화면 표시 디스플레이를 넘어 곧 피부처럼 유연하게 늘어나는 인공전자피부 형태의 디스플레이와 센서를 융합한 스트레쳐블 기술로 진화할 것으로 기대되고 있다.

    스트레쳐블 기술은 크게 현재의 디스플레이 및 전자소자에 사용되는 단단한 소재를 구불구불한 전극으로 서로 연결한 기술(Extrinsic Stretchable)을 사용하고 있다. 

    이러한 형태가 현재 주로 개발 소개되는 스트레쳐블 기술이라 할 수 있으나, 이러한 구조 접근 시 스트레칭의 제한된 범위에서 사용과 함께, 화소의 면적의 희생, 스트레칭 시의 화면의 균일도와 변화 등의 문제를 여전히 가지고 있다.

    궁극적으로 실리콘이나 고무처럼 원래 자체적으로 늘어나는(Intrinsic Stretchable) 소재 방식의 기술 개발이 이상적인 스트레쳐블 기술의 방향으로 이해되고 있다. 

    하지만, 이러한 자체연신 스트레쳐블 기술을 사용할 경우, 위치마다 변형 정도가 달라서 화면 색상이나 신호가 고르지 않다는 점이다. 특히 다중 화소 구조에서는 이러한 불균형이 더 뚜렷하게 확인되는 상황이다.

    이러한 스트레칭의 불균일의 문제는 잡아당기는 부분에서 위치적으로 멀어질수록 각 픽셀 위치에서 느끼는 늘림의 정도가 불균일하게 분포하는 것에 기인한다.

    마치 고무를 늘리거나 치즈 등이 늘릴 때 중앙부로 늘어나는 특성이 위치별로 다른 것과 같은 원리라 할 수 있다. 

    현재까지는 이러한 스트레쳐블 기술 전반에서 균일한 스트레칭 특성의 제어가 불가능한 상태로 알려져 있고, 이는 디스플레이와 같이 Pixel 형의 다중소자의 조합성을 이용하는 기술에 치명적인 한계라 할수 있다. 

    따라서, 아직까지 자체 연신형 스트레쳐블 기술은 단순한 소자의 늘림 특성의 단일 소자의 기초 연구에 단계에 머물러 있다. 

    즉, 스트레쳐블 디스플레이의 소위 늘림의 균일도(Even Stretching) 난제 극복이 다중 멀티픽셀구조를 반드시 필요로하는 디스플레이 기술에서 반드시 필요한 상황이다. 

    연구팀은 종이접기 기술인 '키리가미(kirigami)'에서 아이디어를 얻었다. 키리가미는 종이를 특정 패턴으로 자르면 평면이 3차원으로 변형되는 기법으로 연구팀은 이를 응용해 소재 표면에 미세한 절개와 패턴을 새겨 소재를 늘릴 때 힘이 고르게 분산되도록 했다. 

    이를 통해 7×7 화소 배열에서도 모든 부분이 최대 200%(두 배)까지 균일하게 늘이는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 특정 부위에 단단한 구조를 삽입하는 '스트레인 스토퍼(strain stopper)'를 적용해 원치 않는 방향으로 늘어남도 효과적으로 제어했다. 

    이러한 다중 배열화된 픽셀 소자에서의 늘어남이 어느방향과 위치 늘림에서도 서로 균일하게 제어하는데 최초로 성공했다.

    연구팀은 여기에 기계적 자극에 따라 자체연신 (Intrinsic Stretcahble) 특성의 소재 중 하나인 색이 변하는 키랄 액정 엘라스토머(CLCE)를 도입해, 평소엔 보이지 않던 암호 패턴이 늘어나면 드러나는 ‘메카노크로믹(mechanochromic)’ 스트레쳐블 디스플레이 형태로 구현했다. 

    다중 픽셀에서의 매우 균일한 늘림 균일도와 키랄 액정이 가지는 원편광 분리 특성과 색 조절 특성을 자체 연신소자 구조에서 확장했다. 

    이를 통해, 특정 편광 필터를 결합하면, 보는 각도에 따라 색과 패턴이 달라지는 고급 보안 기능도 가능하다. 이를 통해 눈에는 보이지 않지만, 특수 장치로만 확인할 수 있는 암호 정보 표시 기술이 현실화할 수 있다.

    이번 연구는 신축 디스플레이의 구조적 문제를 해결했을 뿐 아니라, 보안 및 암호화 기술로의 확장 가능성까지 제시한 데 의미가 있다. 향후 입는 전자기기, 유연 디스플레이는 물론, 위조 방지·데이터 보안 분야에서의 응용이 기대된다.

    최수석 교수는 “불균일한 변형 문제를 해결함으로써 실리콘이나 고무, 인공 피부 같은 소재의 상업적 활용 가능성이 크게 높아졌다”며 “향후 스트레처블 광학 소자와 보안 기술 개발에도 기여할 것”이라고 밝혔다.

    한편, 이 연구는 삼성미래기술육성재단 지원사업과 산업기술평가원 Stretchable Display 개발 및 Stretchable 실증 기술 개발사업의 지원으로 진행됐다.