웨어러블 디바이스, 폴더블폰 유연기판신기술 개발 성공 !

기술의 신개발은 앞으로 차세대 각광을 받는 분야 그리고 투자의 방향성을 보여줍니다.
이미 폴도블 폰에 대해서는 많이 들어보셨을 것입니다.
개발이 되었는데도 보편화가 아직 안된 것은 기술적인 보완이 필요해서라고 생각합니다.
요즘 같은 빠른 개발과 성장의 세계를 살아가는 지금 곧 모두를 만족시킬 만한 볼더블 기술이 나올 것이라 생각합니다.

그래서 이번에 국내 포스텍 연구팀에서 차세대 폴더블 전자소자 구현을 할 수 있는 유연기판을 개발하는 데에 성공한 소식을 전하려 합니다.
앞으로 이러한 신기술을 통한 발전과 신제품 출시가 많이 기대가 됩니다.

 

 

 

"딱딱한 물질을 부드럽게 만드는 유연기판 개발"

- 포스텍 연구팀, 차세대 폴더블 전자소자 구현을 위한 신기술 개발 성공 -

 

□ 전자기기에서 소자가 놓이는 기판의 내부에 부드러운 물질 층을 삽입하여 딱딱한 물질을 부드럽게 구부릴 수 있게 만드는 새로운 개념의 유연기판이 개발 되었다.

 

□ 포스텍 정윤영교수 연구팀이 “부드러운 물질을 기판내부에 삽입하여 응력 감쇄 효과를 일으키는 차세대 폴더블 전자소자 구현 기술개발에 성공했다”고 과학기술정보통신부(장관 최기영, 이하 ‘과기정통부’)는 밝혔다.

ㅇ 응력(stress) : 외부의 힘이 물체에 작용할 때 그 내부에 생기는 저항력으로, 변형력이라고도 한다.
- 물질은 재료 고유의 응력 한도를 가지고 있으며, 딱딱한 물질에는 작은 힘을 가해도 응력이 쉽게 한도를 넘게 되고, 이때 재료가 파괴되며 금(crack)이 나타나게 된다.

ㅇ 과기정통부의 글로벌프론티어사업 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)' 5월 6일(한국시각)자에 게재되었으며, 연구팀은 관련 기술로 국내특허와 미국특허를 출원하였다.
※ 논문명 : Multilayer Substrate to Use Brittle Materials in Flexible Electronics
※ 저자 : 정윤영 교수(교신저자, 포스텍), 박성민 연구원(제1저자, 포스텍), 박혁 연구원(제2저자, 포스텍), 성수원 연구원(제3저자, 포스텍)

아내가 만든 핸드메이드

□ 웨어러블 디바이스 및 폴더블폰 기기와 같은 유연 디스플레이 세계시장 규모는 2019년 79.1억 달러에서 25.9%의 연평균 성장을 지속하여 2025년에는 315억 달러에 이를 것으로 예측*된다.
* 글로벌 시장조사기관 Research&Market(Global Flexible Display Market 2019~2025)

ㅇ 한편, 폴더블 스마트폰을 비롯한 다양한 웨어러블 기기에 응용되는 유연 전자 기술에는 구부림에 강하면서도 전기/광학적 성능이 우수한 소재가 요구된다.

ㅇ 하지만, 유연성 구현을 위해 그동안 개발된 그래핀, 탄소나노튜브, 고분자 기반 소재들은 성능과 양산성이 기존의 딱딱한 물질들에 비해 많이 떨어진다는 한계가 존재하였다.

 

□ 연구팀은 유연 전자 기기에서 전자 소자에 가해지는 응력 자체를 줄일 방법을 모색하던 중, 유연 기판 내에 부드러운 물질 층을 삽입하는 방법을 고안해 냈는데,

ㅇ 응력 감쇄층이 삽입된 유연 기판의 경우, 일반 유연 기판에 비해 표면 변형률이 크게 감소되는 것은 물론, 기존의 딱딱한 소재를 이용하더라도 구부림에 의한 성능 저하가 없다는 사실을, 이미 디스플레이 제품에 널리 사용되고 있는 ‘인듐 주석 산화물’*소재를 이용한 실험을 통해 입증하였다.
* ITO (Indium Tin Oxide) : 전기적·광학적으로 성능이 우수하여 디스플레이 제품에 널리 활용되지만 깨지기 쉬운 특성을 갖고 있어, 유연 디스플레이 분야에는 활용되기 어려운 단점이 있다.

 

□ 정윤영 교수는 “본 연구는 신소재 개발 위주의 기존 유연 전자소자 연구와 달리 기판의 구조적 변화를 통하여 소자에 가해지는 응력을 줄이는 새로운 방식의 유연 소자 제작 기법을 제시한 것”이라며,

ㅇ “시간과 비용이 많이 드는 새로운 유연물질의 개발과정을 획기적으로 보완할 수 있는 응력 감쇄형 유연 기판 기술은 기존에 산업계에서 성능이 검증된 금속과 세라믹을 사용하여 유연 전자소자 구현이 가능한 만큼, 빠르게 성장하는 유연 전자기기 시장 지배력을 높이는데 큰 도움이 될 것으로 예상된다.“고 밝혔다.

 

** 연구결과 개요

 

□ 연구배경

ㅇ 웨어러블 전자기기 및 유연 소재 기반의 디스플레이 기술이 발전됨에 따라 고성능의 유연 전자 소재의 중요성이 대두되었다.

ㅇ 종래의 유연 전자 소자 기술은 내재적으로 유연성을 지닌 소재의 개발에 의존했으며, 신소재의 성능 및 양산성 한계에 의해 유연 전자 소자 개발이 제한된다는 한계점이 존재하였다.

ㅇ 본 연구는, 기존 유연 전자 소재 기술이 집중하던 신소재 개발이 아닌, 유연 기판의 구조 변형을 통해 전자 소자가 놓일 유연 기판 표면의 변형률을 줄여 성능이 뛰어난 기존의 금속과 세라믹 등의 물질 등을 유연 전자 소자에 사용 가능하게 만들어 유연 전자 소재의 성능 한계를 극복하고자 하였다.

 

□ 연구내용

ㅇ 유연 기판 구조의 엔지니어링을 통하여 표면의 전자 소자에 가해지는 응력을 감소시키는 응력 감쇄형 유연 기판을 개발하였다. 응력 감쇄형 유연 기판 구조에서는 유연 기판 내에 삽입된 부드러운 응력 감쇄층이 기판이 구부러질 때 표면에 가해지는 응력을 크게 감쇄시킨다.

ㅇ FEA 시뮬레이션을 통해 응력 감쇄형 다층 유연 기판을 이용 시 기존 유연 기판 대비 표면의 변형률을 80% 이상 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

ㅇ 굽힘 실험에서 ITO 전극의 전기 전도성이 변하기 시작하는 임계 굽힘 반경이 기존 유연 기판 대비 60% 이상 감소됨을 확인하였다. 대표적으로 깨지기 쉬운 고성능 전극 물질인 ITO가 반경 4 mm로 굽혀지는 환경에서도 높은 전기 전도성을 유지할 정도로 유연성이 향상되었다.

ㅇ 반복 굽힘 실험을 통해 ITO 전극의 전기 전도성이 5,000회 이상의 굽힘 이후에도 유지됨을 확인해, 응력 감쇄형 유연 기판 사용 시 내구성에도 전혀 문제가 없음을 확인하였다.

 

□ 기대효과

ㅇ 유연 전자 소자에 가해지는 응력을 기판 구조 변형을 통해 줄였기 때문에, 시간과 비용이 많이 드는 새로운 유연 물질의 개발과정 없이, 기존에 산업계에서 성능이 검증된 금속과 세라믹을 사용하여 유연 전자 소자 구현이 가능하다.

ㅇ 최근 중국의 추격을 받고 있는 유연 디스플레이, 웨어러블 디바이스 분야에서 새로운 방향의 유연 전자 소자 기술 개발 방향을 제시함으로써 향후 경쟁에서 한발 앞서 나갈 것이 기대된다.

 

** 그림설명

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 1. 기존 유연 기판과 응력 감쇄형 유연 기판의 구조.

(왼쪽) 폴리이미드 단일층으로 구성된 기존 유연 기판의 구조

(오른쪽) 폴리이미드 유연 기판 내에 부드러운 응력 감쇄층이 삽입된 응력 감쇄형 유연 기판의 구조

 

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 2. 응력 감쇄형 유연 기판의 효과.

(왼쪽) 굽힘 이후에 금(crack)이 형성되어 전기 성능이 크게 저하되는 기존 유연 기판 위의 딱딱한 소재 박막

(오른쪽) 작은 굽힘 반경에서도 소재에 손상이 없는 응력 감쇄형 유연 기판 위 딱딱한 소재 박막

 

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 3. 유연 기판 내 변형률 분포 시뮬레이션.

유연 기판을 구부릴 때 기판의 안쪽 표면과 바깥쪽 표면으로 갈수록 변형률이 크게 증가하는 기존 유연 기판에 비해, 응력 감쇄형 유연 기판의 표면에서는 변형률이 크게 감소함을 나타내는 시뮬레이션 결과

 

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 4. ITO 굽힘 반경에 따른 저항 변화.

대표적으로 딱딱한 전자 소재인 ITO 박막의 굽힘 반경(bending radius)에 따른 저항 변화 결과. 응력 감쇄형 유연 기판 위의 ITO는 굽힘 반경이 작아져도 손상 받지 않고 저항 변화 없이 높은 전기 성능을 유지하는 것을 나타냄.

 

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 5. ITO 전극의 굽힘 반복 횟수에 따른 저항 변화.

대표적으로 딱딱한 전자 소재인 ITO 박막의 굽힘 반복 횟수에 따른 저항 변화 결과. 응력 감쇄형 유연 기판 위의 ITO는 굽힘이 5,000번 이상 반복되어도 손상 받지 않고 저항 변화 없이 높은 전기 성능을 유지하는 것을 나타냄.

 

출처 : 과학기술정보통신부 홈페이지

그림 6. 100번 굽힘 반복 이후 유연 기판 위 전극 표면의 전자 현미경 관찰 이미지.

(왼쪽) 굽힘 반복 후 금(crack)이 형성된 기존 유연 기판 위 전극의 전자 현미경 관찰 이미지 (오른쪽) 굽힘 반복 후에도 손상이 전혀 없는 응력 감쇄형 유연 기판 위 전극의 전자 현미경 관찰 이미지

 

본 저작물은 ‘과학기술정보통신부’에서 ‘20년’ 작성하여 공공누리 제1유형으로 개방한 ‘저작물명(작성자:OOO)’을 이용하였으며, 해당 저작물은 ‘과학기술정보통신부 홈페이지’에서 무료로 다운받으실 수 있습니다.

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보도자료 | 과학기술정보통신부

 

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