유승협 KAIST 교수 연구진 네이처 커뮤니케이션즈 발표
늘어나며 생긴 공간, 숨어 있던 소자로 채워
면적 30% 늘어도 화질 87% 유지, 기존 기술보다 20% 이상

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 개발한 신축성 디스플레이. '3D 단단한 섬(rigid island)' 기술을 적용해 면적이 늘어나도 화질 저하를 최소화했다./네이처 커뮤니케이션즈

국내 연구진이 신축성 디스플레이가 늘어나도 고화질을 유지하는 기술을 개발했다. 디스플레이가 늘어나면서 생기는 빈 공간을 숨어 있던 소자가 채워 화질 저하를 막는 방식이다. 연구가 발전하면 몸에 붙이는 웨어러블(wearable·착용형) 디스플레이 상용화를 앞당길 기술이 될 것으로 기대된다.

유승협 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수 연구진은 5일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 3D(입체) ‘단단한 섬(rigid island) ’ 구조를 적용해 신축성 디스플레이의 화질 저하 문제를 해결했다고 밝혔다.

신축성 디스플레이는 마치 고무처럼 잡아당겨도 작동한다. 접을 수 있는 폴더블 디스플레이와 두루마리처럼 말았다가 펼 수 있는 롤러블 디스플레이의 뒤를 이을 차세대 기술로 꼽힌다. 특히 몸에 붙여 신체 움직임에 따라 형태가 변하는 부착형 웨어러블 장치 개발에 필수적인 기술이다.

하지만 신축성 디스플레이를 잡아당기면서 면적이 늘어나 화질이 떨어지는 문제는 아직 해결하지 못하고 있다. 디스플레이를 구성하는 소자의 밀도가 낮아지면서 화면이 흐려지거나 어두워지는 현상이 나타난다.

KAIST 연구진은 단단한 섬기술을 개선해 화질 저하 문제를 해결했다. 일반적인 유기발광다이오드(OLED)는 기판과 보호층이 단단한 유리 소재로 사용돼 단단한 OLED로 불린다. 신축성은 없으나 화질이 우수하다는 장점이 있다. 단단한 섬 기술은 단단한 OLED를 신축성 소재로 연결해 마치 바다 위에 섬처럼 만든 것이다. 문제는 연결 소재로 인해 소자의 밀도가 크게 감소해 잡아당길 때 해상도 감소 폭이 다른 기술보다 크다는 점이다.

연구진은 단단한 섬 구조를 3D로 구현해서 늘어나더라도 화질 저하가 없는 디스플레이를 개발했다. 평소에는 아래 층에 숨어 있던 OLED 소자가 디스플레이가 늘어날 때 바깥으로 노출돼 빈 공간을 메꿔 화질이 그대로 유지되는 방식이다. OLED 섬을 연결하는 소재도 초박형 소자를 사용해 디스플레이의 부피를 최소화했다.

기존 방식으로 만든 신축성 디스플레이는 면적이 30% 늘어나면 화질이 최대 60%로 떨어졌다. 하지만 KAIST 연구진이 이번에 개발한 기술을 적용하면 화질이 87%까지 유지되는 것으로 나타났다. 잡아당겼다가 원래 상태로 되돌리는 과정을 1000번 반복했을 때 에너지 효율 감소는 10%에 그쳤다. 내구성도 우수한 셈이다.

다양한 물체를 이용해 신축 성능도 검증했다. 연구진은 지름 1㎝의 공과 원통에 디스플레이를 늘려 붙여도 정상적으로 고화질의 화면을 볼 수 있었다고 밝혔다. 위치마다 신축하는 비율이 다른 풍선이나 사람의 손등, 팔꿈치에 붙였을 때도 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다.

신축성 디스플레이는 인체에 붙아는 부착형 웨어러블 장치 개발에 활용된다. 스마트폰을 대체하거나 실시간으로 건강 정보를 수집하는 디지털 헬스케어 장치가 부착형 웨어러블 장치의 대표적인 예다. 지난해 글로벌 시장조사기업 리서치 네스터에 따르면 전 세계 신축성 디스플레이 시장은 2022년 4억달러(약 5490억원)에서 2033년 77억3700만달러(약 10조2000억원)으로 성장할 전망이다. 매년 28%에 달하는 빠른 성장세가 예상된다.

유 교수는 “새로운 방식으로 신축성 디스플레이가 가진 내구성과 해상도 한계를 모두 해결할 수 있다”며 “자유자재로 늘릴 수 있는 디스플레이는 물론 복잡한 형태의 표면에서도 사용할 수 있는 조명 개발에도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

참고 자료

Nature Communications(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48396-w