(질문의 배경)

플렉시블 디스플레이와 기존의 태양전지에 단단한 유리를 대신할 대체재로 각광받는 투명유리섬유 및 강화플라스틱에 대해 기술적 특성과 시장의 반응 및 미래에 공학기술에 어떻게 기여할 수 있는지 자세히 알아보고자한다.

(적용제품)

깨지지 않고, 구부려지고, 자유자재로 휘어지거나 두루 말 수 있어서 휴대와 설치가 간편하고 시간과 장소에 상관없이 이용할 수 있는 TV, 핸드폰, 태블릿 PC 등은 인류가 꿈꾸고 있는 차세대 디스플레이 기술이다. 유연한 플렉시블 기판으로는 금속 호일(metal foil), 얇은 유리(thin glass), 플라스틱 필름(plastic film)등이 사용될 수 있으나, 투명하면서 깨지지 않고 유연하면서 가벼운 플라스틱 필름이 가장 유리하다. 그런데 플라스틱 필름은 유리와 달리 열팽창이 커서 실제로 플라스틱 필름 위에 높은 온도에서 박막 소자를 제조할 때 기판이 팽창되어서 정밀한 소자 제작이 어렵고 스트레스가 걸려서 휘어지거나 깨지게 되어서 실제로 플렉시블 소자들을 제작하기 어렵다. 이러한 이유로 낮은 온도에서 박막트랜지스터나 실리콘박막 태양전지를 제조하는 기술들이 개발되어 왔으나 한계가 있었다. 따라서 고온에서 견디고 열팽창이 낮고 (15ppm/℃ 이하) 복굴절이 없고 강하고 질긴 플라스틱 필름의 개발이 필요하다. 이러한 내열성 저 열팽창 플라스틱 필름은 재료 자체의 한계로 구현하기 매우 어렵다. 따라서 플라스틱을 강하고 열팽창을 낮추기 위해서 유리섬유를 넣어서 복합화 하는 유리섬유 강화 플라스틱(FRP)를 제조할 수 있다. 이 경우 투명한 유리섬유와 플라스틱이라도 섞여있으면 빛의 산란으로 인해 불투명해 져서 일반적으로 FRP는 투명하게 제조하기 어렵다. 그러나 플라스틱 수지의 굴절률을 유리섬유의 굴절률과 정밀하게 일치시키면 섞여있을 때 동일한 굴절률로 인해 시각적으로는 같은 재료로 인식하여서 투명한 FRP를 제조할 수 있다. 이와 같이 동일한 플라스틱수지를 유리섬유에 함침 시켜서 필름으로 제조한 투명 유리섬유 강화 플라스틱 필름은 거의 유리와 동일한 낮은 열팽창계수(15ppm/℃ 이하)를 갖게 되어 필름 상에 정밀한 박막 소자를 고온(300℃ 이하)에서 제작할 수 있어서 플렉시블 디스플레이 또는 태양전지 등을 제작할 수 있다.

<출처. 미국 FDC 플랙시블(좌), 태양전지(독일Frauhafer ISE)(우)>

(기술적 특성)

통상적으로 사용하는 유리섬유는 1.56 정도의 굴절률을 갖는데 일반적인 플라스틱 수지는 굴절률을 맞추기 어려워 실제로 투명한 유리섬유 강화복합체를 제조하기 어렵다. 그래서 무기재료 화학공정으로 사용하는 솔-젤 공정을 이용하여 무기재료인 실록산 유리와 유기재료인 고분자가 나노 크기로 화학결합되어 있는 실록산 나노하이브리드재료(하이브리머)를 플라스틱 수지로 사용하였다. 자체적으로 개발한 신소재인 하이브리머는 광학적 특성이 우수하고 내열 및 내화학성이 뛰어난 광학소재로 분자구조적으로 결합되어 있는 무기물과 유기물의 조성 변화로 굴절률을 미세하게 조절할 수 있어서 유리섬유와 정확히 일치하는 굴절률을 갖는 하이브리머 수지를 제조 할 수 있었다. 이를 유리섬유로 짠 직물에 함침시켜서 경화하여 투명 유리섬유 강화 플라스틱 필름을 제작하였다. 제작된 필름은 유리의 열팽창계수(9ppm/℃)에 가까운 13ppm/℃의 낮은 열팽창계수, 89%의 높은 광투과도와 낮은 복굴절 (0.6nm 이하) 및 높은 열분해온도(400℃ 이상) 특성을 가져서 기존플라스틱 필름의 문제점들을 해결할 수 있었다. 이를 기판으로 사용하여 실제로 LCD 및 AMOLED 디스플레이에 사용되는 산화물 TFT 소자 (200℃ 공정), 실리콘 박막 태양전지(250℃ 공정), 유기발광다이오드(OLED), 투명전극필름 등을 제작하여서 활용 가능성을 확인하였다. 이와 함께 투명 유리섬유강화 플라스틱 필름을 선택적 표면 처리한 지지기판에 제조하여 직접 박막트랜지스터 및 태양전지를 제작하고 표면처리의 접착력 차이를 이용하여 손쉽게 필름을 떼어내서 플렉시블 소자를 제작하는 새로운 플렉시블 소자 제작방법도 함께 개발하여 실제로 플렉시블 소자를 기존 기술에 비해 값싸고간단하게 제작할 수 있는 경쟁력 높은 기술이다.

(사회 및 미래공학기술에 대한 기여도)

신문처럼 자유자재로 구부리고 두루 말 수 있는 TV, 노트북이나 태양전지, 신용카드처럼 가볍고 얇고 굽혀지면서 깨지지 않는 휴대폰이나 태블릿PC, 영화나 SF 소설에서 볼 수 있었던 플렉시블 디스플레이나 플렉시블 소자가 현실화되는 것은 더 이상 꿈같은 얘기가 아니다. 깨지기 쉽고 무거운 유리를 대신하여 플라스틱이 사용되어서 휴대가능하고, 착용가능하고, 유행스러운 제품들이 보편화되면서 더욱 인간 친화적이고 생활이 편리한 유비쿼터스 세상을 만들 것이다. 이는 신소재가 꿈으로만 생각하던 기술을 현실화시켜 인간의 생활과 세상을 바꾸는 좋은 예가 될 것이다.

<그림. 투명 섬유 및 강화플라스틱 /출처: 경제매거진-카이스트 신소재공학과>

Tip

투명유리섬유는 플라스틱에 장점인 가벼움과 탄성을 살리며, 유리의 투과성 및 마모성(긁힘 방지)을 합친 신소재라 할 수 있다.

<참고자료·문헌>

1. 배병수 KAIST 신소재공학과 교수 논문
2. https://www.youtube.com/watch?v=ove1AvklW8Y 플렉시블 소자제작에 사용하는 투명 강화플라스틱 필름기판 개발(배병수)

<전문용어>

플렉시블 디스플레이, 하이브리머, 굴절률, 복굴절