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20만번 접었다 펼 수 있는 커버윈도우 제품화 눈앞한국생산기술연구원 신소재 개발...검증도 끝내

[취재]20만번을 접었다 펼 수 있는 폴더블폰용 플렉시블 디스플레이 신소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이를 응용한 커버윈도우를 만들어 성능도 시험했다. 제품화 과정만 남은 셈이다.

한국생산기술연구원(원장 직무대행 이상목, 이하 생기원)은 폴더블 디스플레이에 적용할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 독자 개발하고 이를 활용해 복합구조 형태의 커버윈도우를 제조하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

스마트폰 등 각종 IT기기의 디스플레이 겉면에는 대부분 유리 소재로 만든 ‘커버윈도우(Cover Window)’가 부착되어 있다. 주로 강화유리가 사용된다.

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

그러나 유리 소재보다 스크래치에 취약하고 접거나 펼칠 때 이음새 역할을 하는 힌지(Hinge) 부분에서 주름 등의 변형이 발생할 가능성이 높다.

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 겪어 왔다.

생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사 연구팀은 이러한 소재별 단점을 보완하기 위해 2015년 연구에 착수했다.

연구진은 5년간의 노력 끝에 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발하는데 성공했다.

이 신소재는 성형 가공이 자유로운 유리 소재의 일종이다. 세라믹에 가까운 실리케이트(SiO2)와 실리콘 오일(SiO) 간 중간 수준의 물성을 지니도록 인위적으로 형성시킨 나노구조체이다.

규소(Si)와 산소(O) 간 연결 구조 및 비율을 조절함으로써 세라믹, 고무, 오일 등 단단한 것부터 부드러운 것까지 원하는 물성을 쉽게 만들어낼 수 있다. 특히 경도와 유연성처럼 서로 상충되는 물성도 하나의 시트 위에 구현 가능하다.

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 성공했다.

정용철 박사가 개발한 커버윈도우 시제품.

제작된 커버윈도우의 경도는 강화유리에 가까운 9H(하드코팅 경도(Hardness)의 단위. 숫자가 클수록 경도가 높다) 수준으로 높아 자동차 열쇠로 강하게 여러 번 긁어도 스크래치가 발생하지 않는다.

또한 곡률반경(휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름) 1R(값이 작을수록 많이 휘어진다) 범위까지 휘어도 깨지지 않아 CPI 소재에 상응하는 유연성을 지녔고, 20만회 가량의 반복 사용에도 내구성이 유지된다.

폴더블 방식 중 화면을 안쪽으로 접는 인폴딩(In-Folding)과 바깥으로 접는 아웃폴딩(Out-Folding) 모두 적용 가능해 활용도 역시 높다.

이밖에 연구팀은 자체 제작한 슬롯코터(Slot-Coater) 장비를 활용해 커버윈도우 연속 제작에도 성공함으로써 롤투롤(Roll-to-roll) 공정 기반의 양산 가능성도 검증했다.

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

정 박사는 또 “기술 완성도가 높아 연구단계에서의 검증은 다 끝난 것으로 보면 된다”며 “제품화 여부는 이제 대기업의 몫”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 산업통상자원부와 패널 및 소재·장비 업체가 디스플레이 산업의 원천기술 확보를 위해 공동 투자해 발족한 ‘KDRC(KOREA Display Research Consortium) 사업단’의 지원을 받아 추진됐다.

연구팀은 2019년 8월 국내 특허 출원 6건과 등록 3건을 완료하는 데 이어 9월에는 미국에 특허를 출원했으며, 이번 성과는 2020년 1월 미국의 세계적 출판사 ‘존 와일리 앤 선즈(John & Wiley Sons)’가 발행하는 재료 분야의 SCI 학술지 ‘Journal of Applied Polymer Science’ 온라인 판에 게재됐다.

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

박희범 기자  snews@s-news.kr

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