스트레처블 디스플레이, 신규시장 형성·美中 주목

파생분야 활용 가능, 시장 규모 '30년 2447억달러 전망

기술적 난제·소규모 연구 위주, 기술 선점·경쟁력 유지 必

<3> 스트레처블 디스플레이 소재기술

2. 연구개발 동향

2.3 스트레처블 디스플레이 구성요소

2) 신축성 전도체(Stretchable conductor)

전기전도도(Electrical conductivity)는 전기 및 신호 배선부의 성능을 결정하는 중요 성능 중 하나이다. 구조 설계 접근 방식의 경우 기존의 금속 기반 배선을 코일이나 리본 형태의 구조 설계를 통해 신축성을 구현하는 까닭에 ~400,000S cm-1 이상의 전도 특성이 가능하다.

신축소재 기반 소자의 경우 반복적인 변형에도 전도도(conductivity) 신뢰성이 필요하기 때문에 탄성중합체 계열 소재를 매트릭스로 해 프린팅이나 침지코팅 등으로 표면에 전도성 물질을 코팅하거나, 전도성 충진제를 함입하는 복합체 형태로 활용된다.

특히 복합체 형태 활용에서는 종횡비(aspect ratio)가 높은 전도성 충진재를 사용해, scale-free network 구조인 복합체를 형성하는 것이 반복적인 연신 거동의 연신 특성 및 전기 전도 특성을 개선하는 연구가 활발하다.

▲ <그림 1>대표적인 전도성 소재의 전기 전도도(자료 : Chem. Soc. Rev. 48.6 (2019): 1566-1595)

▲ <표 1>Geometric 및 Intrinsic 소자에 사용되는 stretchable conductor 특성 비교

가. 탄소기반 전도성 물질(Carbon based conducting material)

카본 블랙(Carbon black, CB), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(CNT) 등으로 대표되는 탄소 나노 구조체는 높은 전도도와 기계적 강성으로 스트레처블 디스플레이용 전도성 충진제로서 많이 연구되고 있다.

금속 기반 소재에 비해 전기 전도성이 낮은 반면(~1000S cm-1), 밀도가 낮아 가벼운 배합물을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

1차원 입자 형태인 CB는 연신과정에서 전도성 네트워크(conductive network)를 유지하기 어렵고 입자 간 접촉이 어려워 전도성(conductivity)이 낮다.

플레이크(Flake) 형태인 그래핀은 판상 구조체로 CB보다 더 촘촘한 전도성 물질 간 접점(network connection point)를 유지할 수 있고, 특유의 높은 전하이동도(charge carrier mobility)와 낮은 저항 특성으로 CB 배합물에 비해 전기적·기계적 특성을 개선할 수 있다.

종횡비가 가장 높은 CNT는 탄소 나노 구조체 기반의 전도성 복합체(conducting composite) 중 가장 성능이 우수하며, 고성능 전도체를 제작하려면 분산 중 CNT가 물리적으로 끊어지지 않고 높은 함량으로 매트릭스 내에 잘 분산되어야 한다.

나. 금속 기반 전도 물질(Metal based conducting material)

금속(Metal) 소재는 전기적 전도도가 높고 종횡비의 나노 구조체 생성이 용이해 신축 소재 기반 계열의 스트레처블 기술에 많이 활용된다. 특히 은(Ag), 금(Au), 구리나노와이어(CuNW)는 종횡비가 높아서 배합물 내 연신 내구성이 우수한 percolation network를 형성할 수 있다.

또한 용매나 용액에 분산시켜 다양한 코팅 공정에 활용할 수 있어 투명·유연 전극 소재로 활용됐다. 일례로, 나노입자(Nanoparticle, NP) 형태로 인쇄용 전도성 잉크(printable conductive ink)를 구성하거나 나노와이어 스프레이코팅(NW spray coating)을 통한 전도성 패드(conductive pad) 제작에 활용할 수 있다.

금속나노플레이크(Metal nano flake)를 탄소중합체 표면에 일정 방향으로 코팅해 신축성 전도체로 활용하기도 하며, 무엇보다 높은 종횡비(high aspect ratio)를 가지는 금속 나노와이어(metal NW) 형태 필러를 활용한 배합물 형태의 연구에서 우수한 신축 소재 기반 전도체를 제작한 연구가 보고됐다.

다. 고분자 기반 전도성 물질(Polymer based conducting material)

탄소/금속 나노 구조체 기반 배합물은 필러 함량 증가에 따라 전도 특성은 높아지나, 연신 특성 및 투과 특성이 감소될 뿐만 아니라 변형(strain) 정도에 따른 전도도가 비선형적으로 급격하게 증가하는 문제가 있다.

반면, 이온 전도(Ion conducting) 메커니즘 기반의 전도성 고분자인 PEDOT:PSS, DPP, P3HT, polyanilline(PAni), polypyrrole(PPy) 등의 전도성 고분자(conducting polymer) 소재는 자체적으로 신축성을 가지며, 탄성중합체와 단일상(single-phase)의 복합체를 형성하기 때문에 고분자 함량에 따른 신축성의 저하가 적고, 인장에 따른 전도 특성의 저하가 적으며, 대체로 투명해 신축 소재 기반 스트레처블 소자에 주로 활용된다.

라. 이온 기반 반도체 물질(Ion based semi-conducting material)

하이드로겔이나 이온겔 기반 전도성 물질(conducting material)은 △폴리아크릴아미드(poly acrylamide, PAM) △알지네이트 △폴리아크릴레이트(polyacrylate) △셀룰로오스(cellulose) △젤라틴(gelatin) △PVA 등의 겔 매트릭스(gel matrix) 소재에 염화나트륨(NaCl)이나 염화리튬(LiCl) 같은 염(salt)을 함입시켜 이온 전도 메커니즘을 통한 전도 특성을 구현하는 방식이다.

수~수백 kPa 모듈러스를 가져 매우 부드러우며 최대 600~1100% 인장이 가능할 정도로 신축성 또한 우수하나 낮은 전도도(10-5~101S cm-1)가 보고됐다. 생체 적합성, 생분해성, 이온 전도 특성을 활용한 바이오 센서 분야에 주로 활용되는 소재이다.

마. 액체 금속 기반 전도성 물질(Liquid metal based conducting material)

액체금속(Liquid metal)은 대표적으로 갈륨-인듐 공융합금(Eutectic Gallium-Indium, EGaIn)이나 갈륨-인듐-주석 합금(Gallium-indium-tin, Galistan) 등의 합금이 사용된다.

해당 소재는 높은 전도도(>104S cm-1)와 매우 높은 신축성을 갖는 반면에 표면장력(surface tension)이 높아 성형(printing)이 어렵고, 산화(oxidation)로 인한 낮은 전도도의 산화물(oxide)층을 형성하는 등의 문제가 있다.

특히 전도성 충진재로 사용할 경우 산화된 액체 금속은 물리적 힘을 통해서 액체 금속 간 경로(path way)를 형성시키는 활성화과정(activation process)이 필요하다는 단점이 있다.

EGaIn은 다른 전도성 충진재와 혼합해 전도성 배합 인장 시 끊어지는 전기적 경로(electrical pathway)를 유지 보수하는 연구가 보고된 바 있다.

3) 신축성 발광 물질(Stretchable emissive material)

구조 설계 기반 스트레처블 디스플레이의 경우 발광 영역이 신축되지 않는 반면, 신축 소재 기반 소자는 기존 발광 소재의 신축성이 부재해 황화아연 같은 인광체 기반 소재나 SY와 같은 비공액 고분자 계열의 신축성 발광 소재가 연구됐다.

가. 황화아연 기반 발광 물질(ZnS based emitting material)

Hot-electron impact excitation mechanism 기반 ZnS phosphor 소재는 ACEL 소자에서 주로 적용되며, 구리(Cu), 망간(Mn), 유로퓸(Eu) 등의 도펀트(dopant)를 첨가해 사용된다.

탄소중합체와의 배합물 형태를 통해 신축 소재 기반 발광층(emitting layer)을 구성하며, 수십 %부터 높게는 1,500%까지의 고연신이 가능하다. 하지만 높은 전압(voltage)와 높은 주파수(hertz, Hz)의 교류 전원을 필요로 하고 기존 발광 소자에 비해 고성능을 얻기 어렵다.

나. 고분자 기반 발광 물질(Polymer based emitting material)

▲ <그림 2>대표적인 electroluminescence conjugated polymer와 triton X 첨가에 따른 신율 개선 메커니즘(자료 : Chem. Soc. Rev. 48.11 (2019): 2946-2966.)

비공액 고분자 소재는 신축 소재 기반 PLED 소자에 사용되는데, 주로 SY라는 발광고분자를 베이스로 해 RGB 색을 구현하는 데 PPV·스피로(spiro)·폴리플루오렌 컴폴리머 등과 함께 사용된다. 특히 가소제 첨가 시 고분자 사슬 간의 상호작용을 약화시키고 자유부피(free volume)을 증가시켜 소자 신축성을 크게 개선시키는 특징이 있다.

4) 스트레처블 언캡슐래이션(Stretchable encapsulation)

OLED 발광 소자는 발광층을 산소와 수분으로부터 보호할 봉지층(encapsulation layer)를 필요로 한다. 일반적으로 무기물과 유기물을 교대 적층해 박막 봉지막(thin film encapsulation, TFE)을 형성하는데, 이 경우에는 수십~수백 % 인장을 요구하는 스트레처블 디스플레이에 적용하기 어렵다.

현재 발표된 스트레처블 디스플레이 소자 논문에서는 탄소중합체를 코팅하거나 패럴린과 SiON을 적층해 봉지막으로 보고하였다. 다만 장시간 소자 수명을 구현할 수 있으면서 신축성을 지닌 신축 소재 기반 봉지(intrinsic encapsulation) 소재 연구는 거의 없는 것으로 판단된다.

2.4 국내외 선도기관

▲ <표 2> 스트레처블 디스플레이 기술 – 국내 선도연구기관

국내에서는 신축 소재 기반 스트레처블 디스플레이보다는 구조 설계 기반의 스트레처블 디스플레이 기술이 더 많이 연구되고 있으며, 후자의 경우 세계 선도 수준의 연구 역량을 보이고 있다.

주름 구조 기반 스트레처블 디스플레이의 경우 서울대학교 김대형 교수 연구팀에서 개발한 미세 주름 구조 기반 스트레처블 디스플레이가 기존의 주름 구조 디스플레이의 시인성 이슈를 해결했다.

삼성종합기술원의 윤용준 연구팀은 아일랜드-브릿지 구조 스트레처블 디스플레이를 패치형 센서와 결합하여 실제 심박수를 모니터링할 수 있는 광혈류측정(Photoplethysmogram, PPG) 심박 센서를 발표했다.

UST 및 KIMM의 김재현, 장봉균 연구팀은 메타 구조(Auxetic meta structure)를 통해 기존 스트레처블 디스플레이가 가지는 화면 확대 시 왜곡 현상이 없는 구조 기술을 보고했다.

▲ <표 3> 스트레처블 디스플레이 기술 – 해외 선도연구기관

해외에서는 국내와는 반대로 신축 기반 계열 스트레처블 디스플레이 기술이 더 많이 연구되고 있다. ACEL 소자의 경우 싱가포르에서 최대 성능의 소자 연구 결과를 보유하고 있으며, PLED 분야에서는 미국의 UCLA와 스탠퍼드대학교에서 주로 연구를 진행하고 있다.

특히 전자섬유 분야는 중국 연구팀이 독보적인 성과를 보이면서 세계를 선도하고 있다. 특히, 2021년에 대면적 전자섬유 의류를 제작한 바 있다.

3. 산업 및 시장 동향

3.1 국내외 시장 규모 및 전망

스트레처블 디스플레이 연구 기술은 초기 단계로 판단되며, 현재로서는 제품의 상용화 시기를 가늠하기가 어렵다. 다만 유연디스플레이(flexible display) 관련 글로벌 시장 규모 예측 조사에서는 매년 상당한 수준의 우상향 성장이 예상된다.

’21년 프레시던스 리서치(Precedence research)에서 발표한 유연디스플레이 시장 규모 예측 조사에 따르면, ’21년 163억달러에서 ’30년에는 2,447억달러로 성장할 것으로 보고하였다.

스트레처블 디스플레이는 기존 폴더블, 롤러블 등의 플렉시블 디스플레이 시장에 더해 웨어러블, 바이오 센서, 게이밍, 가구, 광고, 오토모티브 등 다양한 스트레처블 디스플레이 신규 시장이 형성되어 전체 디스플레이 시장의 규모가 커질 것으로 보인다.

▲ <그림 3>글로벌 플렉시블 디스플레이 시장 규모 예측(자료 : Precedence research, July. 2022.)

3.2 국내외 기업 동향

1) 국내 선도 기업

▲ <그림 4>국내 기업의 스트레처블 디스플레이 관련 제품 예시(자료 : 삼성 디스플레이(a) 삼성 종합 기술 연구원(b) LG 디스플레이(c,d))

국내에서는 삼성디스플레이와 LG디스플레이가 스트레처블 디스플레이 분야에서 선두를 달리고 있다. 삼성디스플레이에서는 SID 2017에서 9.1inch 크기 아일랜드-브릿지 방식의 스트래처블 디스플레이 프로토타입을 선보인 바 있으며, 삼성종합기술원에서는 ’21년에 스트레처블 OLED 소자와 PPG 센서를 결합한 패치형 센서를 발표했다.

LG디스플레이에서는 ’22년 5월 SID 2022에서 13inch 크기 AM-micro-LED 스트레처블 디스플레이를 선보였고, ’22년 11월에는 12inch에서 14inch로 20% 확대 가능한 u-LED 기반 RGB 스트레처블 디스플레이를 발표했다.

▲ <표 4> 스트레처블 디스플레이 기술 – 국내 선도기업

2) 해외 선도 기업

해외에서는 중국의 로욜(Royole)사에서 ’21년 u-LED 기반 투명 스트레처블 디스플레이를 선보인 바 있다. 일본의 도레이(Toray)사에서는 열가소성 폴리우레탄(Thermoplastic polyurethane, TPU) 대비 우수한 원복 특성을 지닌 스트레처블 디스플레이용 기판 필름을 개발하여 판매 중이다.

그 외에 세계 각국의에서 다양한 스타트업 기업에서 스트레처블 디스플레이나 스트레처블 센서 또는 관련 스트레처블 기술에 적용될 요소 기술을 개발해 판매 중이다. 주로 스트레처블 센서(stretchable sensor) 또는 스트레처블 전극(stretchable electrode) 부품에 대한 스타트업이 주를 이룬다. 다만 해상도 및 휘도 저하 없이 스트레칭 가능한 스트레처블 디스플레이는 보고된 바가 없다.

▲ <그림 5>해외 기업의 스트레처블 디스플레이 관련 제품 예시

▲ <표 5> 스트레처블 디스플레이 기술 – 국내 선도기업

4. 미래의 연구 방향 및 정책 제언

4.1 미래의 연구 방향

디스플레이 산업 고도화에 따른 국가 및 글로벌 기업 간 기술 경쟁은 더욱 치열해질 것으로 전망된다. 특히 가파른 성장 시기를 지나 성숙기에 접어든 디스플레이 산업 분야에서는 소비자의 관심을 이끌어 신규 시장을 확대할 새로운 플랫폼이 요구된다.

이러한 가운데 대중 상용화에 진입한 폴더블 디스플레이 형태의 새로운 폼팩터 기술이 기존 소비자에게 새로이 주목받고 있다. 스트레처블 디스플레이는 극대화된 자유도를 제공하는 플렉시블 폼팩터 기술이 될 것이며, 이를 활용한 전통적 디스플레이 시장뿐만 아니라 다양한 파생 산업시장이 새로이 형성될 것으로 예상된다.

스트레처블 디스플레이 기술은 전 세계적으로 연구 초기 단계이며, 학계 및 연구소를 중심으로 연구가 진행 중이다. 일부 스타트업 기업에서 스트레처블 센서 등의 부품을 개발하여 소개하고 있으나 진정한 스트레처블 디스플레이를 구현할 수 있는 연구는 여전히 부족한 실정이다.

스트레처블 디스플레이를 구현하려면 화면의 왜곡, 휘도 및 해상도 저하 문제 없이 신축성을 부여할 수 있는 기술적 난제를 극복해야 한다.

현재 보고된 연구들에 따르면 신축 시 화면 왜곡 및 휘도 보상 구조 설계 기술, 신축성 초고휘도 발광 소재 등의 연구를 통해 상기 기술 난제를 해결하려 노력하고 있다. 그러나 화면 신축에 따른 해상도 변화는 여전히 해결점을 찾기 어려운 상황이다.

최근에는 다양한 구조 설계 및 신축성 소재 기술을 활용하여 스트레처블 디스플레이의 변형률을 극대화하려는 노력이 집중되고 있다. 또한 국내 삼성, LG 등의 전자기업에서 관련 기술을 적용한 스트레처블 디스플레이 프로토타입을 발표하는 등 산업계의 관심 또한 매우 높다.

그러나 디스플레이 신축 시 기존의 부품 성능을 유지하면서 반복된 변형에 복원 가능한 신축성 소재를 개발하는 데는 매우 도전적으로 새로운 기술 개발이 필요하다.

특히 신축성 기판, TFT 회로, 발광, 봉지, 패널보호 소재에 관한 연구는 전 세계적으로 극히 초기 단계이거나 연구가 거의 이루어지지 않았다. 따라서 국제적 경쟁력을 확보하고 기술을 선점하려면 더욱 과감하게 정책 연구를 지원해야 한다.

4.2 정책 제언

스트레처블 디스플레이 산업은 성장세가 둔화한 디스플레이 산업 전체에 새로운 활력을 불러일으킬 것으로 예상된다. 최근 국내 기업의 폴더블 디스플레이 상용화에 따른 중국 및 미국 기업의 관심도가 매우 높아지고 있으며 기술적 격차 또한 빠르게 좁혀지고 있다.

이에 차세대 플렉시블 폼팩터 기술인 스트레처블 디스플레이 산업의 기술을 선점해 초격차 기술 경쟁력을 유지함으로써 국내 디스플레이 산업의 위상을 공고히 해야 할 것이다.

스트레처블 디스플레이는 소재, 부품, 장비를 망라하는 전방위 산업이므로 다양한 파생효과가 발생할 것으로 기대된다. 반면, 스트레처블 디스플레이 기술의 핵심인 신축성 후면, 전면, 모듈 소재 기술 개발에는 상당한 시일이 소요될 것이 예상되어 민간 주도로 연구개발을 추진하기 어려운 실정이다.

또한 국내에서는 통상적으로 정부 주도의 단기간 소규모 과제 위주로 지원이 이루어져 연구의 연속성 및 연구 분야 간 연결성 부족이 지적되고 있다.스트레처블 디스플레이 시장이 아직 활성화되지 않은 까닭에 모빌리티 디스플레이, 옥외·건축 디스플레이, 인체 적용 디스플레이 등 다양한 미래 산업 분야에서 활용할 수 있도록 정책적 규제 완화가 필요해 보인다.

정부 주도의 지속적 연구 지원 및 혁신적 제도 지원이 이루어진다면 국내 디스플레이 산업 분야에서 초격차 기술 경쟁력을 지속적으로 확보할 수 있을 것으로 기대한다.