6. 고분자 기판(Polymer substrate) 이야기

플렉서블 디스플레이 개발을 위한 필수품

최근에 출시되는 스마트폰이나 TV에는 이제 일상적으로 휘어진(Curved) 디스플레이들이 적용되고 있습니다. 그러나 이 제품들은 이미 휘어놓기만 했지 사용자가 임의로 구부리거나 모양을 바꿀 수 없는 플렉서블 디스플레이의 전단계라고 할 수 있습니다. 진성한 플렉서블 디스플레이는 기판부터 구성 소재들이 모두 유연소재를 사용하여 마음대로 모양을 바꿀 수 있어야 합니다. 이러한 기술적 요구사항에 맞는 플렉서블 디스플레이에 적용될 기판 후보로 유력한 것이 바로 지금 소개해 드릴 고분자 기판(Polymer substrate)입니다.

고분자는 별개 아니다 코카콜라 패트병이 바로 고분자

고분자.. 이름만 들어도 복분자가 생각나는.. 아닙니다. 죄송합니다. 사실 고분자라고 하면 일반 대중들은 정말 나사(NASA)나 핵융합연구소에서 연구할 것만 같은 분야라고 생각하시는 분들이 더러 있습니다. 그렇지만 고분자들 만큼이나 우리 생활에 밀접한 관련이 있는 화학제품도 드뭅니다. 바로 플라스틱이라고 부르는 모든 제품들이 고분자들로 이루어져 있기 때문입니다.

고분자기판 후보들은 여러분이 생각하시는 패트병 재질과 정말 비슷한 특징들을 가지고 있습니다. 투명하고, 잘 휘며, 가볍기까지하고, 생각보다 튼튼합니다. 맞습니다. 직관적으로 생각해볼때 플렉서블 디스플레이를 만들기 정말 이상적인 조건들을 모두 갖추었습니다. OLED 소자의 경우 Tang박사와 VanSlyke 박사가 글래스 기판위에 최초의 OLED를 선보인지 5년만에 고분자 기판위에 OLED 소자를 제작하게 됩니다. 바로 Heeger 박사 연구팀에서 시도했는데요. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate) 기판에 제작합니다. 뭐 이렇게 이름이 길고 복잡하냐고 생각하실지 모르겠으나 바로 이 폴리어쩌구가 바로 패트(PET)입니다. 

이것으로 만든 병들이 패트병입니다. 그러니 고분자 기판이 어쩌구 하지만 결국 그래봤자 패트라는 것이 팩트입니다. 아시다시피 패트는 정말 쌉니다. 쉽게 구할 수 있으며 이 기판위에 만들어진 OLED 소자의 특성만 우수하다면 기판재료로 적용하지 않을 이유가 없습니다. 그러나 패트는 사실 우리가 디스플레이 기판으로써 요구되는 특성을 대부분 만족할 수 없는 한계를 갖고 있기 때문에 화학적으로 많은 보완이 필요합니다.

먼저 기판재료가 요구되는 특성으로는 2. OLED 기판이야기에서 정리를 한번 하였지만 한번더 간단히 정리를 해보겠습니다.

기판재료의 요구특성
    열 안정성
    낮은 열팽창계수
    기계적 안정성
    내화학성
    낮은 산소 수분 투과도
    높은 가시광 투과도

위 조건을 만족해야지만 기판재료로 사용될 수 있으므로 생각보다 고분자로 만족할 만한 특성을 갖추기가 쉽지 않은게 현실입니다. 열에 강한 가소성 고분자를 사용하면 유연한 특성을 잃고 딱딱해지며, 플라스틱은 여러분들이 아시는 바와 같이 반복된 물리적 스트레스에 파손되어 버립니다. 게다가 아세톤만 표면에 떨어져도 금방 일그러져 버리고, 얇게 만들경우 생각보다 높은 산소 투과도를 갖고, 자외선에 계속 노출되면 가시광 투과도에도 변화가 생깁니다.

사실상 모든 특성을 만족하기 쉽지가 않습니다. 여러가지 고분자 기판재료 후보들을 한번 살펴보면 아래 표와 같습니다.

<표1. 여러 고분자 기판재료의 특성> *출처 : Hong, Y, T. et al. 2007. proccedings of the SPIE. 6655

표1은 대표적인 고분자 기판재료들의 열적, 화학적, 광학적 특성들을 정리하였습니다. 노란색으로 하이라이트된 특성들은 기판재료로써 약점으로 작용할 수 있는 특성값들인데, 하나도 빠짐없이 모두 약점을 보이고 있습니다. 특정한 특성을 만족하면 다른곳에서 단점을 보이면서 확실하게 기판재료로써 완벽한 모습을 보여주진 못합니다. 또한 해당 고분자 기판재료들의 분자 구조를 보면 아래와 같습니다. 

<사진1. 고분자 기판재료의 분자구조>

그래서 결론을 내려보자면 아래의 요약과 같이 정리할 수 있습니다만 지금도 이 재료이외의 다른 재료들이 많이 연구되고 있으며 polycyclic olefins/polynorbornenes (PCO), polyetheretherketone (PEEK), polyarlyates (PAR) 등이 후보로 거론되고 있으나 아직 확실하게 적용되기는 어려운 면이 있습니다. 물론 연구가 계속 진행되고 있고 성공만 하면 상업적으로 엄청난 파장을 몰고 올 것이 분명하기 때문에 수년안에는 기판재료로써 손색없는 재료가 등장하리라 믿습니다. 

고분자 기판재료 요약

Polyimide(PI) : 좋은 열특성을 갖고 있어서 공정들에 적용이 충분하나 광학적으로 좋지 못함.

Polyether-sulfone(PS) : 쓰지말자

Polyehtlene naphtahalate(PEN) : 낮은 열팽창계수를 보이지만 열 특성이 좋지 못함.

Polyehylene terephthalate(PET) : PEN과 비슷.

Polycarbonate(PC) : 무난 무난 특징없음.