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이상석 (Lee S.S.) 웨어러블소자연구실 책임연구원
정순원 (Jung S.W.) 웨어러블소자연구실 선임연구원
박찬우 (Park C.W.) 웨어러블소자연구실 책임연구원
나복순 (Na B.S.) 웨어러블소자연구실 선임기술원
오지영 (Oh J.Y.) 웨어러블소자연구실 선임연구원
구재본 (Koo J.B.) 웨어러블소자연구실 실장
추혜용 (Chu H.Y.) 스마트I/O플랫폼연구부 부장

I. 서론

최근 IoT(Internet of Things) 서비스의 급격한 시장 수요 팽창에 따라 웨어러블 소자 및 기기들에 대한 관심이 증폭되고 있다. 실제 Gatner에서는 2020년에 300억대의 사물이 인터넷에 연결되어 통신을 할 것으로 예상하고 있으며, Cisco에서는 2020년 370억대의 사물과 25억명의 사람이 인터넷으로 통신할 것으로 예상하고 있다.

이와 같은 IoT 서비스의 중심에는 웨어러블 소자 및 기기도 중심축으로 자리매김하고 있으며, 웨어러블 기기의 인체 착용감을 위해서는 스트레처블 디스플레이 또한 필요한 기술이다.

한편 디스플레이의 관점에서도 기존의 평판 디스플레이에 유연성과 경박화를 실현한 플랙시블 디스플레이가 등장했으며, 향후 bendable한 형태로부터 점차 foldable, deformable한 형태까지 디자인을 더욱 자유롭게 구현할 수 있는 방향으로 진화할 것으로 전망된다. 이와 같이 foldable, deformable한 디스플레이에 구현하기 위해서는 부분적으로 스트레처블 기능을 가져야 한다.

본고에서는 스트레처블 디스플레이의 타 분야와의 융합 응용성과 향후 기술을 구성요소 기술별로 정리하고자 한다.

II. 스트레처블 디스플레이의 응용

스트레처블 디스플레이는 다양한 타 기술 및 산업과 유기적인 융합을 가속화한다는 장점이 있다. 이와 같은 가능성은 스트레처블 디스플레이가 자유로운 형태적 변화를 위해 다양한 신축성을 가지기 때문에 활용도를 높이고 다른 분야의 기술들이 융합되어 새로운 산업을 창출할 수 있다.

1. 웨어러블 기기와의 융합

웨어러블 디바이스는 IoT의 핵심 기기로 자리매김하고 있으며, 인체에 착용하는 개념으로 착용성을 고려한 스트레처블 디스플레이와의 융합을 고려할 수 있다.

기존의 평판 디스플레이는 웨어러블 기기에 적용하기에는 형태적/기술적인 한계가 존재한다. 또한, 플랙시블 디스플레이도 인체의 관절 등 운동이 반복되는 부위에 사용되기에는 제한적이다. 최근 시계나 안경 형태에 디스플레이를 채용한 다양한 웨어러블 기기들이 상품화되고 있고 제품에 따라 평판이나 플랙시블 디스플레이를 사용하고 있지만, 디스플레이를 설치할 수 있는 영역이 제한적이고 그에 따라 디스플레이의 활용도가 매우 낮은 상황이다[1][2].

상대적으로 스트레처블 디스플레이는 기술적/형태적인 측면에서 웨어러블 디바이스에 적용되었을 때 인체에 대한 착용감이 우수하여 활용도가 높을 것으로 예상된다. 예를 들어, 시계 형태의 애플리케이션은 손목을 감는 스트랩 부분까지 스트레처블 디스플레이로 대체할 수 있으며, 안경 형태의 애플리케이션은 렌즈와 같은 곡면 부위에도 스트레처블 디스플레이를 적용할 수 있다.

또한 섬유산업에서도 스마트 섬유라는 개념으로 (그림 1)과 같이 섬유를 전자회로화할 수 있는 연구가 속속 선보이고 있다. 섬유를 이용한 트랜지스터 구현 방법으로는 (그림1 (a))와 같이 윗면의 두 섬유를 Source와 Drain으로 사용하고 밑면의 섬유를 Gate로 사용하며, 윗면의 섬유와 밑면의 섬유 사이에 Insulator를 삽입하여 OTFT(Organic Thin-Film Transistor)를 구현하는 방법과 (그림 1 (b))와 같이 윗면의 섬유를 Gate로 사용하고 밑면의 섬유를 Drain과 Source로 사용하는 방법으로 연구되고 있다[3].

(그림 1)
Fiber transistors

그러나 이 분야는 기초 연구단계로 현재는 딱딱한 기존의 디스플레이를 섬유에 이어 붙이거나 LED(Light Emitting Diode) 등 소형 조명제품을 부착하는 형태로 진행되고 있다. (그림 2)는 섬유를 이용한 디스플레이의 한 예로 자연스러운 착용감을 구현하기에는 한계가 있다.

(그림 2)
섬유로 구현 가능한 스트레처블 디스플레이

향후 스트레처블 디스플레이 기술이 상용화 된다면 스마트 섬유를 이용한 의류산업과 디스플레이 산업 간의 융합은 급속도로 확산될 것으로 보인다. 활용되는 분야로는 군인, 경찰, 소방관들의 업무에 사용되는 특수한 용도의 작업복에 먼저 채용될 수 있고, 일반 의류로도 착용자의 기분이나 주변환경에 따라 디자인이나 색상을 바꿀 수 있는 용도로 적용될 수 있다.

2. 의료기기와의 융합

인간의 평균 수명이 꾸준히 늘어나고 건강에 대한 관심이 함께 높아지면서 기본적인 건강관리 용도의 개인용 헬스케어 제품이 크게 증가하는 추세로 특수한 기능을 요구하는 전문적인 의료기기 또한 수요가 크게 증가할 것으로 전망된다. 따라서 (그림 3)과 같이 유연성과 신축성을 동시에 갖춘 스트레처블 디스플레이가 의료기기와 융합된다면 의료기기의 활용도가 높아짐과 동시에 애플리케이션의 수요도 급격하게 늘어날 것으로 전망된다.

(그림 3)
스트레처블 디스플레이로 구현 가능한 의료용 모니터 센서

기존 의료용 기기는 부피가 커서 휴대하기가 어렵고 실시간으로 지속적인 신체 변화를 측정하기가 곤란하였으나, 스트레처블 디스플레이는 신체에 부착한 형태로 발전될 것이므로 웨어러블 의료기기 산업을 급속히 발전시킬 것으로 예상된다. 특히 최근 활발하게 진행 중인 TFT(Thin Film Transistor)를[4]-[6] 이용한 스트레처블 센서[7], 배터리[8], 안테나[9], 메모리[10] 등에 대한 연구결과를 스트레처블 디스플레이분야에 응용하고 이를 의료기기와 융합한다면 기술발전은 한층 가속화될 것으로 전망된다. 최근에는 센서를 이용하여 심박수, 혈압, 혈당 등을 일상생활이나 운동, 진료 중에 측정하는 웨어러블 기기로의 활용이 점점 확대되고 있다.

최근 구글에서는 (그림 4)와 같이 소프트 콘택트렌즈용 소재로 제작한 두 장의 막 사이에 미세한 크기의 무선 칩과 혈당치 측정 센서, 안테나 및 LED 라이트를 장착한 스마트 콘택트렌즈 시제품을 선보였으며, 이어서 눈을 두 번 연속으로 깜빡이면 스냅사진이 촬영되어 이미지가 내장된 안테나와 무선 칩을 이용하여 자동으로 스마트폰으로 전송되는 마이크로 카메라와 센서가 장착된 콘택트렌즈를 발표한 바 있다[11].

(그림 4)
구글의 혈당 수치 확인 가능한 스마트 콘택트렌즈

한편 최근 국내의 연구진도 (그림 5)와 같은 구조로 눈꺼풀이 콘택트렌즈를 건드리면 렌즈에 삽입된 박막형 배터리가 충전되는 방식을 택하여 안정적으로 전력공급이 가능하게 되어 IoT의 가장 큰 단점인 기기 사용시간을 연장한 스마트 콘택트렌즈를 발표하였다[12].

(그림 5)
박막형 배터리가 내장된 스마트 콘택트렌즈

개인의 건강에 대한 관심도가 높아지면서 의료기기 시장은 점차 소형, 다기능, 개인화 추세를 보이고 있으며, 궁극적으로는 신체에 직접 착용하거나 부착하는 형태의 의료기기도 개발되고 있다. 그러므로 스트레처블 디스플레이는 헬스케어 시장에서 필수적인 기술로 각광받을 것으로 예상된다.

3. 터치 기술과의 융합

기존의 평판 디스플레이나 플랙시블 디스플레이는 기본적으로 평면이거나 단순한 곡률의 변화만 가능한 수준이다. 반면, 스트레처블 디스플레이는 부분 또는 전체적인 신축성을 통해 디스플레이 표면의 높낮이를 조정하는 것도 가능할 수 있으므로 이것을 활용해 디스플레이 대상의 질감 혹은 표면상태를 표현할 수도 있다. 예를 들어, 터치 기술의 한 종류인 동작 추적 센서와 스트레처블 디스플레이가 융합되면 사용자의 동작과 디스플레이에 가해지는 자극에 따라 디스플레이의 표면이 변하며 질감과 표면상태를 표현할 수 있는 3D 디스플레이 구현이 가능할 것이다. 이와 같은 기술이 상용화되면, 사용자들은 인터넷 쇼핑을 할 때에도 실제 제품의 질감을 느낄 수 있게 될 것이다.

또한, 최근 Tactus Technology는 (그림 6)과 같이 필요에 따라 디스플레이 표면에서 자판이 솟아오르는 기술을 상품화하고 있다. 이 기술은 디스플레이 표면에 커버글라스 대신 신축성이 있는 폴리머 재료가 코팅되어 있고 폴리머 층 아래 특수한 투명 마이크로 용액이 차있는 작은 통로를 구현하는 방식으로 버튼이 필요할 때 압력에 의해 용액이 확산되어 폴리머 층이 표면 위로 솟아오르는 방식이다[13].

(그림 6)
터치기술과 융합 가능한 스트레처블 디스플레이

III. 스트레처블 디스플레이의 기술동향

본 장에서는 스트레처블 디스플레이는 기존의 플랙시블 디스플레이가 고려하지 않은 신축성을 전제로 하고 있으므로 소재 및 구조적인 신축성을 기반으로 화면의 변형 및 확대, 축소가 가능하므로 이들 요소 기술들에 대한 동향을 정리하고자 한다. 스트레처블 디스플레이의 신축성을 구현하기 위해서는 물리적 기반이 되는 기판, 전극, TFT, 발광층, 봉지 등 모든 소재 및 공정들이 신축성 및 그에 상응하는 내구성을 지녀야 한다.

신축성을 확보하는 방법으로는 대별하여 일반적인 금속 전극을 사용하되 주름진 탄성체 기판의 신축성을 이용하는 방법과 신축이 가능한 전극의 재질을 이용하는 방법이다.

1. 탄성체 기판의 주름을 이용하는 방법

평판 디스플레이 구현에 광범위하게 적용되는 유리 기판은 변형이 불가능한 딱딱한 소재이고, 플랙시블 디스플레이에 적용되기 시작한 폴리이미드의 경우는 휘거나 접히는 수준의 2차원적인 변형은 가능하지만 신축성은 크지 않으므로 스트레처블 디스플레이에는 적합하지 않다. 또한 스트레처블 디스플레이용 기판에 요구되는 특성은 신축성 이외에도 박막 트랜지스터 및 LCD/OLED 공정을 적용하기 위해서 기판의 평탄도, WVTR(Water Vapor Transmittance Rate), OTR(Oxygen Transmittance Rate) 등의 특성도 확보해야 한다.

스트레처블 디스플레이의 신축성을 확보하기 위한 방법은 탄성이 있는 신축성 있는 소재를 기판으로 사용하고 기판 위에 주름을 형성하여 신축성을 확보하는 방법이다. 주름을 형성하는 방법으로는 (그림 7)과 같이 실리콘 나노 리본을 박막 형태로 제작하고 이를 미리 당겨진 탄성체 기판 위로 전사시켜 주름을 형성하여 기판의 신축성을 확보하는 방법이다[14]-[16].

(그림 7)
실리콘 나노 리본을 전사시켜 신축성을 확보하는 방법

또 다른 방법으로는 최근 Prestrain 과정 없이 주름진 Si 기판 위에 탄성체 기판을 형성한 후 Si 기판을 제거하여 탄성체 기판의 주름을 이용하는 방법이 연구개발되고 있다[17]. 이 방법은 대면적 제작 시 균일하고 정교한 Prestrain 공정과 전사시키는 공정이 필요한데 이를 생략되어 공정이 단순화된다는 장점이 있다.

주름진 신축성 기판을 이용하여 신축성을 구현할 경우 (그림 8)과 같이 주름 구조, 코일 스프링 구조, 말발굽 구조 등 다양한 2D/3D 형태의 구조물들을 이용한 신축성 소자 제작방법이 가능하다.

(그림 8)
각종 주름의 형태

2. 신축성 전극재료를 이용하는 방법

신축성 확보를 위한 다른 방법으로 탄성체 기판을 사용하되 신축 시에도 도전성이 유지되는 신축성 전극재료를 사용하는 것이다. 이와 같은 신축성 전극재료는 기본적으로 탄성물질과 전도성 고무를 혼합하여 탄성체 전도성 재료를 만드는 것이다. 이러한 접근방법은 기존의 공정방법을 그대로 적용하여 집적화 공정이 가능하다는 장점을 갖는다. 전도성이 높은 유연전극을 제작하기 위해 가장 많이 사용하는 방법은 유연성 및 신축성이 우수한 유연재질의 표면에 전도성이 높은 금속이나 전도성 물질들을 사용하는 것이다. 보통 PDMS(Poly DiMethy Siloxane), 실리콘 고무, 아크릴 고무와 같은 유연기질 표면에 CNT(Carbon Nano Tube)[18]-[20], AgNW (Silver Nano Wire)[21], Graphene[22] 등과 이들을 서로 복합적으로 도전성 물질들을 사용하여 높은 전기 전도도를 이용하고 신축성을 확보한다.

CNT는 높은 전기 전도성, 높은 유연성과 강성 및 높은 Aspect Ratio를 가지고 있기 때문에 전도성 충전제로 많이 사용되고 있으며 유연전극 제작에도 많이 사용된다. CNT를 이용한 유연전극 제작은 유연성이 높은 탄성고분자들을 CNT와 혼합한 전도성 나노복합체를 이용하거나 유연기질 표면에 CNT를 코팅하는 방법이 주로 연구되어 왔다. (그림 9)는 CNT를 전극으로 사용하여 제작된 TFT의 예로 제작 후 20% 정도의 연신율에서도 TFT가 안정하게 동작하고 있음을 보고하였다[19].

(그림 9)
CNT를 이용한 스트레처블 TFT

(그림 10)은 AgNW(Silver Nano Wire)를 신축성 있는 도체로 이용한 예로 먼저 실리콘 기판 위에 AgNW를 도포하고 탄성체인 액상 PDMS를 코팅한 후 PDMS를 경화하고 실리콘 기판을 떼어내어 제조하는 방법이다. 이 방법으로 제작한 AgNW/PDMS 기판은 50%까지 연신하여도 저항값의 변화가 거의 없으며, 반복시험을 통해서 고신뢰성을 확보하였다는 연구결과를 얻었다[21].

(그림 10)
AgNW를 이용한 스트레처블 Conductor

(그림 11)은 투명한 Graphene을 신축성 전극으로 사용하여 LED를 구현한 예로 먼저 Graphene을 Cu foil Sheet에 성장하고, 그 위에 PMMA(PolyMethyl Meth Acrylate)를 코팅한 후, Cu Foil을 식각하여 사용한 예로 100%까지 연신하여도 LED가 동작하여 Graphene이 신축성 전극으로 동작하고 있음을 보여주는 연구결과이다[22].

(그림 11)
Graphene을 신축성 전극으로 이용한 LED 구현 예

IV. 결론

본고는 스트레처블 디스플레이와 다른 기술의 융합 가능성과 스트레처블을 구현하기 위한 기술에 대한 기술동향을 정리하였다.

향후 스트레처블 디스플레이는 IoT의 한 중심인 웨어러블 기기들에 사용과 의료기기와의 융합을 통하여 섬유산업과 의료기기 산업의 발전을 견인하게 될 것이다.

또한, 현재는 신축성을 구현하기 위한 요소 기술별로 기술개발이 각각 따로 추진되고 있으나, 복합·융합적인 형태의 기술개발로 추진될 것이다.

약어 정리

AgNW

Silver Nano Wire

CNT

Carbon Nano Tube

IoT

Internat of Things

LED

Light Emitting Diode

OFETs

Organic Field-Effect Transistor

OTFT

Organic Thin-Film Transistor

OTR

Oxygen Transmittance Rate

PDMS

PolyDiMethySiloxane

PMMA

PolyMethyl MethAcrylate

TFT

Thin Film Transistor

WECT

Wire ElectrochemicalTransistor

WVTR

Water Vapor Transmittance Rate

References

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[2] D.H. Kim et al., “Epidermal Electronics,” Sci., vol. 333, no. 6044, 2011, pp. 838-843.
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[4] T. Someya et al., “A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications” Proc. National Academy Sci. USA., vol. 101, no. 27, July 2004, pp. 9966-9970.
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[7] T. Yamada et al., “A stretchable carbon nanotube strain sensor for human motion detection,” Nature Nanotechnol. 6, Mar. 27th, 2011, pp. 296-301.
[8] A. Gaikwad et al., “ Highly stretchable alkaline batteries based on an embedded conductive fabric,” Adv. Mater., vol. 24, no. 37, Sept. 25th, 2012, pp. 5071-5076.
[9] M. Park et al., “Highly stretchable electric circuits from a composite material of silver nanoparticles and elastomeric fibre,” Nature Nanotechnol. 7, Nov. 25th, 2012, pp. 803-809.
[10] Y.C. Lai et al., “Stretchable organic memory: toward learnable and digitized stretchable electronic applications,” NPG Asia Mater. 6, Feb. 2014.
[11] 전자신문, “초소형 마이크로 카메라를 장착한 ‘구글 콘택트 렌즈’,” 2014. 4. 22.
[12] 중앙일보, “눈물로 혈당 분석 ‘스마트 렌즈’ 개발,” 2014. 7. 25.
[13] Tactus Technology Shows Us Their New Keyboard Tech, CES 2014
[14] W.M. Choi et al., “Biaxially Stretchable “Wavy” Silicon Nanomembranes,” Nano Lett., vol. 7, no. 6, 2007, pp. 1655-1663.
[15] T. Someya et al., “Conformable, flexible, large-area networks of pressure and thermal sensors with organic transistor active matrixes,” Proc. National Academy Sci. USA., vol. 102, no. 35, Aug. 2005, pp. 12321-12325.
[16] S. H. Chae et al., “Transferred wrinkled Al2O3 for highly stretchable and transparent graphene–carbon nanotube transistors” Nat. Mater. 12, 2013, pp. 403-409.
[17] C.W. Park et al., “Fabrication of well-controlled wavy metal interconnect structures on stress-free elastomeric substrates,” Microelectronic Eng., vol. 113, Jan. 2014, pp. 55-60.
[18] C. Yu et al., “Stretchable Supercapacitors Based on Buckled Single-Walled Carbon Nanotube Macrofilms,” Adv. Mater., vol. 21, no. 47, Dec. 18th, 2009, pp. 4793-4797.
[19] S.H. Chae et al., “Transferred wrinkled Al2O3 for highly stretchable and transparent graphene–carbon nanotube transistors,” Nature Mater., vol. 2, May 2013.
[20] Le Cai et al., “Super-stretchable, Transparent Carbon Nanotube-Based Capacitive Strain Sensors for Human Motion Detection,” Scientific Reports 3, Oct. 25th, 2013.
[21] F. Xu and Y. Zhu, “Highly Conductive and Stretchable Silver Nanowire Conductors,” Adv. Mater., Sept. 25th, 2012, pp. 5117-5122.
[22] R.-H. Kim et al., “Stretchable, Transparent Graphene Interconnects for Arrays of Microscale Inorganic Light Emitting Diodes on Rubber Substrates,” Nano Lett., July 26th, 2011, pp. 3881-3886.

(그림 1)

f001

Fiber transistors

(그림 2)

f002

섬유로 구현 가능한 스트레처블 디스플레이

(그림 3)

f003

스트레처블 디스플레이로 구현 가능한 의료용 모니터 센서

(그림 4)

f004

구글의 혈당 수치 확인 가능한 스마트 콘택트렌즈

(그림 5)

f005

박막형 배터리가 내장된 스마트 콘택트렌즈

(그림 6)

f006

터치기술과 융합 가능한 스트레처블 디스플레이

(그림 7)

f007

실리콘 나노 리본을 전사시켜 신축성을 확보하는 방법

(그림 8)

f008

각종 주름의 형태

(그림 9)

f009

CNT를 이용한 스트레처블 TFT

(그림 10)

f010

AgNW를 이용한 스트레처블 Conductor

(그림 11)

f011

Graphene을 신축성 전극으로 이용한 LED 구현 예