세계 최고 수준의 유연 광학 필름 제조, 폴더블 디스플레이 적용 기대 한국생산기술연구원이 폴더블 디스플레이 주름 문제를 해결한 불소계 폴리이미드 기반 광학 필름 개발에 성공했습니다.
출처 2022.08 한국생산기술연구원 생기원 친환경융합소재연구부문 홍성우 박사 연구팀은 기존 유리 기반 소재의 광특성을 유지하면서도 굴곡 신뢰성을 갖춘 고강도 투명 유연 광학 필름을 개발했습니다.
디스플레이를 접으면 안쪽에는 압축력이, 바깥쪽에는 인장력이 발생하기 때문에 반복적으로 디스플레이를 접으면 표면이 깨지거나 갈라지거나 구김이 생기는 현상이 발생할 수 있습니다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 대표적인 광학 신소재 중 하나가 플라스틱 기반의 ‘유연 광학 필름’입니다.
폴더블 디스플레이에 사용되는 유연 광학 필름은 범용 플라스틱에 비해 우수한 물성 및 특성을 가진 엔지니어링 플라스틱으로 제조해야 합니다.
폴리이미드(Polyimide)는 대표적인 엔지니어링 플라스틱으로 전하 이동 복합체(Charge Transfer Complex; CTC)라는 독특한 구조를 형성하여 범용 플라스틱은 물론 일반 엔지니어링 플라스틱보다 기계적 물성이 우수합니다.또한 복원력이 좋고 충격에 강하며 연속 제막 공정에 의해 얇은 필름 형태로 만들 수 있어 가볍고 유연한 디스플레이 구현이 가능합니다.
반면 낮은 파장대의 빛을 흡수하기 쉬운 CTC의 구조적 특성으로 인해 필름이 노랗게 변하는 치명적인 단점이 있습니다. 이러한 현상을 폴리이미드의 기계적 물성 및 광특성 간 트레이드오프(Trade-Off)라고 부르며 노트북, TV, 폴더블 스마트폰을 비롯한 플렉시블(Flexible) 제품군을 적용할 때 가장 큰 문제점으로 꼽혀 왔습니다.
홍성우 박사 연구팀은 CTC 제어를 통해 트레이드오프를 극복함으로써 세계 최고 수준의 물성 및 특성을 가진 새로운 불소계 폴리이미드 개발에 성공했습니다. 우선 폴리이미드에 부피가 큰 탄화불소를 도입해 CTC에 의해 강력하게 결합돼 있는 폴리이미드 쇄간 거리를 떨어뜨리는 방식으로 광특성을 확보했습니다.
출처 LG전자의 반면 물리적 거리를 제어하는 것과 비례해 기계적 물성이 저하되는 문제를 해결하기 위해 폴리이미드 사슬간 수소결합 및 금속이온결합 확률을 높이는 방식으로 CTC의 상호작용력을 증폭시킴으로써 트레이드오프 현상을 극복할 수 있었습니다.
그 결과 탄성계수 8ᄋᄉ 이상, 전체 투과율 90%, 황색지수 3 이하를 보였으며, 20만회 이상 폴딩 언폴딩 후에도 일체의 갈라짐, 갈라짐, 주름도 발생하지 않는 유연성 및 굴곡 신뢰성을 가진 광학필름 제조에 성공하였습니다. 특히 탄화불소그룹을 도입한 투명폴리이미드는 불소원자를 포함하고 있어 불소계 폴리이미드로 분류되며, 불소계 폴리이미드는 일본 3대 수출규제 품목 중 하나로 차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재입니다.
연구를 주도한 홍성우 박사는 “차세대 디스플레이 개발의 핵심 소재이자 국산화가 시급한 소재라는 점에서 불소계 폴리이미드에 주목했다”며 “확보된 성과를 바탕으로 롤러블·웨어러블·스트레처블 등 플렉서블 디스플레이 전반에 적용할 수 있는 소재 개발에 매진하겠다”는 뜻을 밝혔습니다.