KAIST 화학과 김상율 교수 연구팀이 투명 유연 디스플레이를 제작할 수 있게 해주는 고분자를 합성하는데 성공했습니다. 연구팀이 개발한 고분자는 유리와 같은 투명성과 열팽창계수를 갖는 고성능의 무정형 고분자로 유기소재의 열팽창 제어에 응용 가능할 것으로 기대됩니다.
차세대 디스플레이로 유망한 투명하면서도 유연한 디스플레이를 제조하기 위해서는 유리와 같은 수준의 투명성과 열팽창계수를 가지면서도 휘어지고 접을 수 있는 기판소재가 필요합니다. 그러나 고분자 소재 중 이러한 조건을 갖는 유연 고분자 소재는 알려진 바 없습니다.
또한, 모든 물체는 열을 받으면 팽창하고 차가워지며 수축하는 성질을 갖습니다. 이는 물질을 이루는 원자들의 열에너지에 의한 진동의 증가로 원자사이의 거리가 멀어지기 때문에 일어나는 현상입니다. 열팽창계수란 열팽창에 의해 변형되는 길이의 변화를 (△L/L)를 온도 변화(△T)로 나눈 값입니다. 즉 온도가 1℃ 상승할 때 마다 늘어나느 길이의 변화를 열팽창계수라고 합니다.
일반적으로 금속은 10-20ppm/℃, 유리나 세라믹은 이보다 작은 값(<10ppm/℃)을 가지며, 고분자 소재는 20-100ppm/℃ 정도의 열팽창 계수 값을 가집니다. 따라서 유기물질로 이뤄진 고분자 소재는 열에 의한 팽창이 세라믹이나 금속 소재에 비해 상대적으로 매우 큽니다.
얇고 가벼운 평판 디스플레이에 사용되는 반도체소자는 세라믹과 비슷한 열팽창계수를 갖고 있습니다. 그래서 열팽창계수의 차이가 큰 고분자 필름 위에 반도체소자를 만들게 되면 작동 시 발생하는 열에 의한 팽창과 수축의 차이로 소자가 파괴되는 문제가 발생합니다.
따라서 반도체소자와 기판의 열팽창계수를 일치시키는 것은 성공적인 디스플레이를 제조하는데 매우 중요한 일입니다. 무정형인 투명한 고분자 물질의 열팽창계수를 줄이는 방법으로 고분자 사슬들을 연결시켜 망상구조(특정 다각형이 이어진 그물 모양의 구조)를 형성시키는 방법이 알려져 있습니다. 하지만 망상 구조를 갖는 고분자 물질은 유연성을 잃어버리고 필름으로 제조해도 유연하지 않게 됩니다.
김 교수 연구팀은 문제 해결을 위해 고분자 사슬 간 거리를 조절하는 방식을 이용했습니다. 고분자 물질을 합성할 때 고분자 사슬 간에 상호작용하는 힘을 도입하고 힘의 방향이 수직으로 교차하게 만들며 사슬 간 거리를 적절히 조절하면 온도에 따른 팽창 및 수축을 억제할 수 있습니다. 연구팀은 이러한 화학구조를 투명한 고분자 물질에서 구현하는데 성공했습니다.
김상율 교수팀이 합성에 성공한 새로운 고성능 고분자 물질인 투명한 폴리아마이드이미드 필름은 열팽창정도가 유리 수준으로 낮으면서도(열 팽창 계수 : 4ppm/℃) 유연하며 아몰레드(AMOLED) 디스플레이 제조공정에 적용할 수 있는 내열성을 갖고 있습니다(>400℃).
연구팀은 새로 합성된 투명 폴리아마이드이미드 필름 위에 이그조 박막 트랜지스터(IGZO TFT) 소자를 제작해 필름을 반경 1mm까지 접어도 소자가 정상적으로 작동되는 것을 확인했습니다. 참고로 이그조 박막 트랜지스터(IGZO TFT) 소자에서 IGZO는 인듐(Indium), 갈륨(Gallium), 아연(Zinc)으로 이뤄진 산화물 반도체로서 무정형의 투명한 산화물 반도체 가운데 하나입니다. 이는 무정형 실리콘에 비해 전자이동빈도 값이 크고, 소비전력을 감소시킬 수 있어 액정 디스플레이(LCD)의 구동 소자(TFT)로 많이 사용되고 있습니다.
이번 연구 결과에 대해 김 교수는 "그간 난제로 여겨졌던 무정형 고분자의 열팽창을 화학적 가교결합 없이 조절해 유리 정도 수준으로 낮추면서도 유연성을 확보하고 동시에 투명하게 만드는 방법을 제시한 흥미로운 연구 결과"라며 "다양한 유기소재의 열팽창을 제어하는데 응용 가능할 것으로 기대된다"고 밝혔습니다. 이 연구는 <사이언스 어드밴시스>에 게재됐습니다.
