KITECH

- 생기원, 플렉시블 하드코팅 신소재 기반의 커버윈도우 제조기술 독자 개발

- 화면 평면부는 유리처럼 단단, 이음부는 플라스틱처럼 유연한 복합구조 형태

□ 한국생산기술연구원(원장 직무대행 이상목, 이하 생기원)이 폴더블 디스플레이에 적용할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 독자 개발하고 이를 활용해 복합구조 형태의 커버윈도우를 제조하는 데 성공했다.

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

ㅇ 커버윈도우는 외부 충격이나 오염, 지문 등으로부터 디스플레이 기판을 보호해주는 핵심부품으로, 디스플레이 제작 공정에서 필수적으로 부착된다.

ㅇ 특히 터치 기능이 많이 쓰이는 IT기기의 경우 스크래치에 강하면서도 표면이 매끄러운 강화유리가 주로 활용돼왔다.

□ 반면 폴더블폰은 기존 유리 소재 대신 유연성이 뛰어나 접고 펼칠 수 있는 플라스틱 소재인 ‘투명폴리이미드(Colorless Polyimide, 이하 CPI)’를 적용하고 있다.

ㅇ CPI로 만든 커버윈도우는 빛 투과율이 높고 깨지지 않으며 수십만 번을 접어도 견딜 수 있을 만큼 내구성이 강하다.

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

ㅇ 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 겪고 있다.

□ 생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사 연구팀은 이러한 소재별 단점을 보완하기 위해 2015년 연구에 착수, 5년간의 노력 끝에 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발했다.

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

ㅇ 규소(Si)와 산소(O) 간 연결 구조 및 비율을 조절함으로써 세라믹, 고무, 오일 등 단단한 것부터 부드러운 것까지 원하는 물성을 쉽게 만들어낼 수 있으며, 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.

ㅇ 제작된 커버윈도우의 경도는 강화유리에 가까운 9H* 수준으로 높아 자동차 열쇠로 강하게 여러 번 긁어도 스크래치가 발생하지 않는다.

* 하드코팅 경도(Hardness)의 단위. 숫자가 클수록 경도가 높다.

ㅇ 또한 곡률반경* 1R 범위까지 휘어도 깨지지 않아 CPI 소재에 상응하는 유연성을 지녔고, 20만회 가량의 반복 사용에도 내구성이 유지된다.

* 휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름을 뜻하며, 값이 작을수록 많이 휘어진다.

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

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

□ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

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

* 정용철 박사 연구팀이 독자 개발한 커버윈도우 시제품

* 생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사가 실험실에서 자체 제작한 커버윈도우의 투명도를 확인하고 있다.