스트레처블 디스플레이

평면에서 3차원 제주도 모양으로 변형되는 스트레처블 디스플레이 제품 (사진: 삼성디스플레이)

LG디스플레이, 화면 50% 늘어나는 스트레처블 디스플레이 개발.

스트레처블 디스플레이'(Stretchable Display)는 신축성 있는 소재로 만들어진 차세대 디스플레이로 현재 상용화 되어 있는 폴더블 디스플레이나 개발중에 있는 롤러블 디스플레이보다 한 단계 더 발전된 기술로 디스플레이를 구성하는 최소 입자인 픽셀 사이에 고무나 실리콘 등의 신축성 소재를 넣은 것이다. TV와 같은 모니터부터 시계, 안경, 렌즈와 같은 웨어러블 디바이스와 의료기기, 그리고 섬유에 적용해 스마트 섬유로도 구현할 수 있다. 이로서 피부에 딱 밀착되는 제대로 된 웨어러블 디바이스도 기대할 수 있다. 실재로 2024년 서울패션위크에서 스크레처블 디스플레이를 활용한 옷과 가방이 등장하기도 했다.

스트레처블 디스플레이가 상용화하면 옷처럼 입거나 몸에 부착하는 정보기술(IT) 기기가 일상 곳곳에 등장할 전망이다. 예컨대 재난 현장에 있는 소방관·구급대원의 특수복엔 안전하고 신속한 대응을 위한 정보를 알려주는 디스플레이를 설치할 수 있다. 화면을 올록볼록한 버튼 형태로 제조하는 것도 가능해진다.

개요

스트레처블 디스플레이는 화면이 탄력적으로 늘어나는 차세대 디스플레이이다. 스트레처블 디스플레이는 늘리기, 접기, 비틀기 등 어떤 형태로도 자유롭게 변형이 가능해 궁극의 프리 폼(Free-Form) 디스플레이로 불린다.

스트레처블 디스플레이는 얇고 가벼워 피부나 의류 등 굴곡 면에 접착할 수 있다. 늘이기, 접기, 비틀기 등 어떤 형태로든 자유롭게 변형이 가능하다.

스트레처블 디스플레이는 다양한 웨어러블 기기에 폭넓게 활용될 것으로 보인다. 옷처럼 입거나 몸에 부착하는 정보기술(IT) 기기 출시가 머지않았다는 전망이 나온다.

개념

여러 방향으로 자유롭게 폼팩터를 변형할 수 있는 디스플레이
패널의 탄성력을 바탕으로 다음과 같은 형태 변형 가능

멀티 폴딩(Folding)/롤링(Rolling) : X축, Y축, Z축 등 다양한 방향으로 접거나 말 수 있는 특성
신축 기능 : 고무/스프링처럼 외부에서 힘을 가했을 때 2차원/3차원으로 늘어났다가 원래 상태로 돌아오는 특성

기술적 요건

유연성 : 압력에 따라 늘어났다가 다시 복원될 수 있는 특성

압력이 가해지는 위치나 범위에 제약이 없고, 변형 형태 역시 비고정적이므로 폴더블·롤러블 대비 큰 폭의 유연성 강화 필요

구성 : 큰 폭의 변형에도 소재나 구조의 손상이 없는 특성

무작위적 압력을 가해도 표시 성능의 열화 및 외관의 영구적 손상이 없는 구동 안정성 필요

양산성 : 복잡성과 난이도 높은 제조 공정의 경제성 확보 과제

높은 탄성을 보유한 신소재 또는 기존 소재의 구조적 가공 등 새로운 공정 기술의 경쟁력 확보 필요

스트레처블 구현을 위한 핵심 요소 기술

기판 및 봉지층

기판 및 봉지층의 탄력성과 내구성은 스트레처블 디스플레이의 신축성과 직결

폴리이미드 기판 구조를 그물형으로 가공하거나, PDMS를 보조 기판으로 활용하는 등으로 접근 중
나노 기반의 봉지층 개발 등 기판과 봉지층의 신소재 접근은 장기적 관점에서 연구 중

T;FT 백플레인(구동 소자)

TFT를 위치시킬 안정적인 중립 지역이 존재하지 않을 가능성이 높아 근본적 해결 필요

구동 소자에 가해지는 압력 완화를 위해 단단한 구조물을 국소적으로 형성하고 소자들을 집중 배치하는 대안 존재
전도성과 내구성을 충족하는 소자 자체의 신축성 확보를 위해 탄소나노튜브, 그래핀 등의 신소재 적용 연구 중 전기적 특성 등의 개선 필요

배선 연결 기술

TFT 소자 간 전기 신호 연결을 위한 배선의 탄력성과 내구성 확보 이슈

단선 구조 대신 스프링, 물결, 갈고리, 나선형 등의 충격에 강한 디자인으로 배선 구조를 변경하는 방안으로 우선 접근 중
보다 높은 신축성을 확보하기 위해 脫 금속 소재 발굴을 위한 연구 진행 중이며 탄력성, 내구성, 전도성 동시 충족 필요

발광층(마이크로LED)

OLED 대비 발광층과 봉지층 구조가 훨씬 단순하다는 장점이 존재 하나, 추가적인 기술 개발이 필요

신축성이 높은 기판에 LED 칩을 직접 붙이는 방식으로 구현 가능해 200PPI 내외의 애플리케이션에 우선 특화하는 방안 고려 가능
배선의 탄력성과 내구성 문제는 여전히 잔존

개발 현황

한국과학기술원(KAIST) 최경철 교수 연구팀에서는 유기발광다이오드(Organic Light Emitting Diode·OLED) 기반으로 화면을 변형했을 때 기판에 가해지는 힘을 최소화할 수 있도록 기둥구조를 형성한 유연 기판을 결합해 새로운 형태의 스트레처블 기판을 만들었다.

2017년 5월 23~25일(현지시간) 삼성디스플레이가 미국 로스엔젤레스에서 디스플레이 전문학회가 여는 'SID 2017'에서 처음 공개했다. 이 제품은 태블릿PC에 많이 쓰이는 9.1인치 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이로, 화면을 위에서 누르면 화면이 움푹 들어갔다가 원래의 평평한 화면으로 돌아온다. 아래에서 위로 화면을 눌러도 다시 원상태로 돌아가는 신축성을 지녔다. 화면을 누르면 최대 12㎜까지 화면이 안으로 들어갔다가 손을 떼면 다시 원래 모습으로 돌아온다. 이렇게 하는 가운데에도 화면에 띄워지는 영상은 전혀 문제 없이 나타난다. 삼성의 스트레처블 디스플래이는 디스플레이를 구성하는 최소 입자인 픽셀 사이에 고무같은 신축성소재를 넣은 것이다.

2017년 애플은 유연 기판에 대한 특허를 출원했으며, 본 특허는 메시 형 엘라스토머 기판 층으로부터 통합된 센서 및 햅틱 피드백 메카니즘을 갖는 시스템을 제공했다. 기판 의 유연성을 높이기 위해 발광 소자, 입력 메커니즘 및 그리드 형태의 상호 연결 경로 를 형성하는 전도성 트레이를 배치한 것으로 예상된. 애플사 가 특정 발명품을 시장에 출시할지 여부는 아직 알려지지 않았지만, 향후 아이폰 모델에서 플렉시블 디스플레이 기술을 채택 할 것으로 예측된다.

미국 Cornell University의 Rob Shepherd 교수 연구팀은 발광소자와 actuator소자와의 결합을 통해 actuator의 부분적인 변형 정도를 즉각적으로 표현할 수 있는 스트레처블 디스플레이 소자를 제작하였다. 이는 압력 센서와 연계된 IoT 기반의 4차 산업혁명 시대에 주축을 이룰 스마트 기기의 안정성을 유지 및 향상시키기 위하여 시스템 외관 및 내부 결함을 추적하여 위험요소를 사전 예측 가능할 수 있는 이미징 기반의 자동 검사 기술인 머신 비전 기술 구현을 앞당길 수 있다.

2015년에 Holst Center에서는 Rigid island & Serpentine 방식으로 stretchable AM 32X32 마이크로 LED 디스플레이를 제작하였는데, 해상도는 13ppi 수준이었고, 휘도는 170cd/m2, 2T-1C 픽셀 구조를 활용하였다.

2022년 11월 8일 LG디스플레이도 스트레처블 디스플레이를 공개했다. 스트레처블 디스플레이는 콘택트렌즈에 쓰이는 특수 실리콘 소재를 사용했다. 이 소재로 신축성이 뛰어난 필름 형태의 기판을 개발해 유연성을 높였다. 외부 충격에 화질 변화를 방지할 수 있는 내구성을 확보하기 위해 40㎛(마이크로미터·1㎛는 100만분의 1m) 이하의 마이크로 LED 발광원을 사용했다. LG디스플레이는 2020년 4월 '전장 및 스마트기기용 스트레처블 디스플레이 개발 국책 과제' 주관 기업으로 선정되면서 관련 연구에 뛰어들었다. 국내 산학연 기관과 공동 연구개발(R&D)을 하면서 약 2년6개월 만에 시제품 개발에 이르렀다. 이후 2024년 11월 8일, 콘택트 렌즈에 사용되는 특수 실리콘 소재를 활용해 신축성이 최대 50%까지 늘어나며, 화면을 최대 1.5배까지 늘릴 수 있고, 10,000회 이상 반복해서 잡아 당겨도 내구성에 문제가 없는 기술을 공개했다.

2019년에 동경대 Someya 교수 그룹에서는 Stretchable/Conformable/Wearable AM 16X24 마이크로 LED 디스플레이 시연품을 제작 하였고, pre-stretching & total transfer 방식으로 45%까지 신축가능한 마이크로 LED 패널을 보고한바 있다.