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스크래치·주름 발생 줄인 폴더블 디스플레이 나온다

- 생기원, 플렉시블 하드코팅 신소재 기반의 커버 윈도우 제조기술 독자 개발- 화면 평면부는 유리처럼 단단, 이음부는 플라스틱처럼 유연한 복합구조 형태한국생산기술연구원(원장 직무대행 이상목, 이하 생기원)이 폴더블 디스플레이에 적용할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 독자 개발하고 이를 활용해 복합구조 형태의 커버 윈도우를 제조하는 데 성공했다. 스마트폰 등 각종 IT기기의 디스플레이 겉면에는 대부분 유리 소재로 만든 ‘커버 윈도우(Cover Window)’가 부착되어 있다. 커버 윈도우는 외부 충격이나 오염, 지문 등으로부터 디스플레이 기판을 보호해주는 핵심부품으로, 디스플레이 제작 공정에서 필수적으로 부착된다. 특히 터치 기능이 많이 쓰이는 IT기기의 경우 스크래치에 강하면서도 표면이 매끄러운 강화유리가 주로 활용돼왔다.반면 폴더블 폰은 기존 유리 소재 대신 유연성이 뛰어나 접고 펼칠 수 있는 플라스틱 소재인 ‘투명 폴리이미드(Colorless Polyimide, 이하 CPI)’를 적용하고 있다. CPI로 만든 커버 윈도우는 빛 투과율이 높고 깨지지 않으며 수십만 번을 접어도 견딜 수 있을 만큼 내구성이 강하다. 그러나 유리 소재보다 스크래치에 취약하고 접거나 펼칠 때 이음새 역할을 하는 힌지(Hinge) 부분에서 주름 등의 변형이 발생할 가능성이 높다.이 같은 단점으로 인해 IT 업계에서는 접을 수 있는 초박막 강화유리인 UTG(Ultra Thin Glass) 개발을 추진하고 있지만, 유리 두께를 얇게 만드는 기술이 부족하고 수율도 낮아 양산에 어려움을 겪고 있다.정용철 박사 연구팀이 독자 개발한 커버 윈도우 시제품생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사 연구팀은 이러한 소재별 단점을 보완하기 위해 2015년 연구에 착수, 5년간의 노력 끝에 유리 수준의 경도와 플라스틱 수준의 유연성을 동시에 구현할 수 있는 플렉시블 하드코팅 신소재를 개발했다. 개발된 신소재는 성형 가공이 자유로운 유리 소재의 일종으로, 세라믹에 가까운 실리케이트(SiO2)와 실리콘 오일(SiO) 간 중간 수준의 물성을 지니도록 인위적으로 형성시킨 나노구조체이다.규소(Si)와 산소(O) 간 연결 구조 및 비율을 조절함으로써 세라믹, 고무, 오일 등 단단한 것부터 부드러운 것까지 원하는 물성을 쉽게 만들어낼 수 있으며, 특히 경도와 유연성처럼 서로 상충되는 물성도 하나의 시트 위에 구현 가능하다.연구팀은 이 신소재의 물성 조절을 통해 세계 최초로 폴더블 폰의 양쪽 평면부는 단단하지만, 힌지 부위는 유연하게 만든 복합구조(Rigid-Soft-Rigid, RSR) 형태의 커버 윈도우를 제작하는 데 성공했다.제작된 커버 윈도우의 경도는 강화유리에 가까운 9H* 수준으로 높아 자동차 열쇠로 강하게 여러 번 긁어도 스크래치가 발생하지 않는다.* 하드코팅 경도(Hardness)의 단위. 숫자가 클수록 경도가 높다.또한, 곡률반경* 1R 범위까지 휘어도 깨지지 않아 CPI 소재에 상응하는 유연성을 지녔고, 20만 회가량의 반복 사용에도 내구성이 유지된다.* 휘어진 곡선을 이루는 원의 반지름을 뜻하며, 값이 작을수록 많이 휘어진다.아울러 폴더블 방식 중 화면을 안쪽으로 접는 인폴딩(In-Folding)과 바깥으로 접는 아웃폴딩(Out-Folding) 모두 적용 가능해 활용도 역시 높다.이밖에 연구팀은 자체 제작한 슬롯 코터(Slot-Coater) 장비를 활용해 커버 윈도우 연속 제작에도 성공함으로써 롤투롤(Roll-to-roll) 공정 기반의 양산 가능성을 검증해냈다. 생기원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사가 실험실에서 자체 제작한 커버 윈도우의 투명도를 확인하고 있다정용철 박사는 “플렉시블 신소재는 폴더블 폰 외에도 이차전지 분리막, 광학 모듈 코팅, 자동차 곡면 폼 성형, 건축·가구 분야 등 활용범위가 광범위할 것으로 예상된다”고 밝히며, “커버 윈도우 제조기술의 경우 완성도가 높아 조기 상용화가 기대된다”고 말했다. 이번 연구는 산업통상자원부와 패널 및 소재·장비 업체가 디스플레이 산업의 원천기술 확보를 위해 공동 투자해 발족한 ‘KDRC(KOREA Display Research Consortium) 사업단’의 지원을 받아 추진됐다.연구팀은 2019년 8월 국내 특허 출원 6건과 등록 3건을 완료하는 데 이어 9월에는 미국에 특허를 출원했으며, 이번 성과는 2020년 1월 미국의 세계적 출판사 ‘존 와일리 앤 선즈(John & Wiley Sons)’가 발행하는 재료 분야의 SCI 학술지 ‘Journal of Applied Polymer Science’ 온라인판에 게재됐다. 한편, 시장조사업체 카운터포인트리서치는 폴더블 폰 판매량이 2019년 40만대에서 2023년 3,680만대까지 급증할 것으로 전망했다.관련문의: 한국생산기술연구원 마이크로나노공정그룹 정용철 박사(031-8040-6197 / ycjeong@kitech.re.kr)한국생산기술연구원 홍보지원실 이한영글 행정원(041-589-8039 / left0723@kitech.re.kr)

취재부 2020-02-13

‘이산화탄소’ 잡는 고수명·고효율 ‘배터리’ 나왔다

편집부 2020-02-13

3D 프린팅 산업 동향 및 플라스틱 소재의 활용과 발전 방향

자료제공: 소재종합솔루션센터(www.matcenter.org), 화학소재정보은행(www.cmib.org) 지식정보 심층보고서

편집부 2020-02-09

우리 생활에 없어서는 안될 유용한 플라스틱 제품을 만드는 사출성형기 이야기 19

자료제공: LS엠트론 기술교육아카데미 (http://lsmtronacademy.com)

편집부 2020-02-09

생명연, 바이오플라스틱 소재의 친환경 대량생산 해법 찾았다

- 식물유로부터 바이오플라스틱 소재(세바식산) 대량생산 미생물 화학공정 개발 - 기존의 환경오염유발 화학공정을 친환경 저공해 생물공정으로 대체 기대 순수 국내 연구진이 플라스틱 및 다양한 화학제품 원료 소재인 세바식산(sebacic acid)을 식물유 원료로부터 생물학적으로 대량 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술을 활용한 세바식산 생산량은 세계 최고 수준이며, 향후 산업적으로 활용되어 바이오플라스틱 소재 산업 성장에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 한국생명공학연구원(원장 김장성, 이하 생명연) 바이오상용화지원센터 안정오 박사팀(교신저자: 안정오/이홍원 박사, 제1저자: 전우영 박사)이 수행한 이번 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회에서 발간하는 세계적 학술지 ‘그린케미스트리지(Green Chemistry, IF 9.405)’에 12월 7일에 게재되었다.* 논문명: Microbial production of sebacic acid from a renewable source: production, purification, and polymerization 세바식산(HOOC-(CH2)8-COOH)은 가소제, 윤활제, 화장품 및 플라스틱의 생산을 포함하여 다양한 산업에 응용되는 물질이다. 현재 피마자유(castor oil)를 고온의 열분해(pyrolysis) 공정을 통해, 세바식산이 생산되고 있다. 하지만, 이러한 화학공정은 고온의 합성공정을 수반하며 이러한 과정에서 상당한 양의 황산을 소비한다. 이 과정에서 심각한 환경 오염을 일으킬 수 있는 황산나트륨을 함유한 폐수를 방출하는 등의 문제점이 존재한다. 이에, 세바식산의 주요 생산국가인 중국은 세바식산 생산공장에 관한 환경법령을 적용하여 공장가동 일을 줄이고 있어, 대체 생산기술개발이 요구되고 있는 상황이다. 연구팀은 기존의 고온·고압의 화학공정을 통한 세바식산 생산을 대체할 수 있는 친환경의 미생물 화학공정*을 개발하고, 생산된 세바식산을 고순도로 분리·정제하는 공정을 개발하였다. 또한, 폴리아마이드 중합공정**을 통해 고성능 바이오 나일론 610(nylon 610)***을 성공적으로 합성하였다. * 미생물 화학공정: 미생물 공정은 화학공정에 비해 친환경적인 공정, 무한히 재생 가능한 생 촉매 사용과 같은 여러 장점을 가지고 있음** 폴리아마이드 중합공정: 고온에서 물(H2O)을 제거하면서 카르복실기(-COOH)와 아민기(-NH2) 간의 아마이드 결합(-COHN-)을 생성하는 반응*** Nylon 610: 세바식산과 헥사메틸렌디아민(Hexamethylenediamine)과의 중합공정을 통해 생산되는 나일론으로 전기 절연체, 정밀부품, 필라멘트 등에 활용된다. 연구팀은 미생물 균주(효모 캔디다 트로피칼리스) 유전자 조작을 통하여, ω-산화 반응*에 관여하는 유전자들을 증폭시킴으로써 식물 유래의 지방산 원료로부터의 세바식산 생산 능력을 향상시켰다. 또한, 배양 공정에 관여하는 온도, pH, 용존산소량, 원료의 투입 속도 등의 조건들을 최적화하여 세바식산을 세계 최고 수준으로 생산(98.3 g/L의 농도와 98%의 생산 수율)하였다.* ω-산화 반응: 알칸이나 지방산의 ω-위치 탄소를 산화시켜서 알콜기 알데히드기를 거쳐 카르복실기로 전환시켜 주는 반응연구팀은 실험실 규모에서 구축한 세바식산 생산 공정을 파일롯 규모(50L 배양기)에서도 성공적으로 재현함으로써 본 연구결과의 산업적 적용 가능성을 확인하였다.또한, 본 연구팀은 국내 기업인 애경유화㈜, ㈜롯데케미칼, 스몰랩과의 산·연 협동 연구를 통하여, 바이오 공정을 통하여 생산된 세바식산을 고순도로 분리 및 정제하였으며, 중합공정을 통해 바이오 나일론 610(nylon 610)을 성공적으로 합성하였다.연구 책임자인 안정오 박사는 “동 연구성과는 재생 가능한 바이오 자원 유래의 세바식산 생산 공정을 통해, 기존의 화학적 생산방법을 대체 가능하다는 것을 보여준 것”이라며, “또한 국내 기업들과의 협업을 통해 세바식산을 나일론 610으로 성공적으로 합성한 것은 산·연 간 공동 연구가 국내 바이오 산업화기술 경쟁력 강화로 이어지는 좋은 사례가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이용우 2020-02-09

화학연, 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재 개발

- 플렉시블 디스플레이의 난제 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재 개발 및 제조공정 단순화- 재료과학 분야 권위지 『ACS Applied Materials & Interfaces』 12월호 게재한국화학연구원과 포항공대 공동 연구진이 개발한 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터이다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여, 유연성·절연성·내열성의 삼박자를 두루 갖춘 폴리이미드를 개발했다.한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김윤호 박사팀과 포항공대 정성준 교수팀은 플렉시블 디스플레이의 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자로 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 하며, 전극·반도체·절연체로 구성되어 있다. 현재는 무기물 기반의 소재들로 이뤄진 트랜지스터가 디스플레이 패널에 쓰이고 있다.디스플레이를 자유자재로 구부리거나 접으려면, 특히 디스플레이 패널 전면에 적용되는 트랜지스터용 절연체에 유연한 소재를 써야 한다. 이를 위해 다양한 고분자 기반의 후보물질이 제안됐지만, 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여 절연성(전류 차단)과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다. 절연성을 나타내는 누설전류 밀도가 10-9A/㎠(암페어/제곱센티미터) 이하로, 기존의 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 특히, 350℃ 이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.또한, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했고, 상온에서 한 번의 용액 코팅공정으로 폴리이미드 절연 박막을 형성했다. 그 결과, 유연·절연 폴리이미드를 트랜지스터 절연체에 적용해 종이처럼 구길 수 있는 유기 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다.이에 대해 한국화학연구원 김윤호 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라면서, “특히 최근 인쇄공정 기반의 유연 전자소자 개발에도 매우 적절한 절연 소재로 활용될 수 있다”고 설명했다.또한, 김윤호 박사는 “앞으로 이번에 개발된 원천소재 및 공정기술을 바탕으로 유연 전자소자 실용화 개발 연구에 힘을 기울이겠다”고 덧붙였다.이 같은 연구성과는 재료과학 분야 권위지인 『ACS Applied Materials & Interfaces(IF:8.456)』 12월호에 ‘분자설계를 기반으로 한 저온 용액공정 가능 용해형 폴리이미드 절연 소재 개발 및 유연 유기 트랜지스터 제작(Low-Temperature Solution-Processed Soluble Polyimide Gate Dielectrics: From Molecular-Level Design to Electrically Stable and Flexible Organic Transistors)’으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어 사업 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.

이용우 2020-02-09

기계연, 달걀 옮기기부터 가위질까지 척척 ‘인간형 로봇 손’ 개발

- 4개의 손가락, 16개의 관절로 이뤄졌으며, 12개 모터 사용- 인간형 로봇 손은 3㎏ 이상의 물체를 들 수 있다달걀을 들어 옮기는 로봇 손한국기계연구원(원장 박천홍, 이하 기계연)이 달걀을 집거나 가위질을 하는 등 일상생활의 다양한 물체 및 도구 조작이 가능한 사람 손 크기의 ‘인간형 로봇 손’을 개발했다. 이 로봇 손은 범용 구조로 제작돼 다양한 로봇 팔에 장착할 수 있고, 무게 대비 쥐는 힘도 세계 최고 수준으로 산업현장은 물론 일상생활까지 활용이 더 확대될 것으로 기대된다.기계연 첨단생산장비연구본부 로봇메카트로닉스연구실 도현민 박사 연구팀은 사람 손가락의 움직임과 구조를 모사해 같은 방식으로 물체를 조작할 수 있는 인간형 로봇 손을 개발했다.인간형 로봇 손은 4개의 손가락과 16개의 관절로 이뤄졌다. 각 방향으로 움직일 수 있도록 12개의 모터가 사용됐다. 각 손가락은 독립적으로 움직인다.연구팀은 로봇 손의 손가락을 사람의 손과 비슷한 수준으로 움직이게 하도록 좁은 공간에서도 다자유도로 움직일 수 있는 메커니즘을 개발했다. 특히 손가락을 움직이는 구동부를 손바닥 내부에 장착해 모듈화에도 성공했다. 기존의 로봇 팔 구조를 변경할 필요 없이 로봇 손을 쉽게 장착할 수 있도록 해 활용도를 높인 것이다.또한, 기존 상용 로봇 손보다 가볍고 힘도 세다. 개발한 인간형 로봇 손의 무게는 1㎏ 이하지만, 3㎏ 이상의 물체를 들 수 있다.연구팀은 물체와 접촉을 감지할 수 있는 촉각 기능을 부여하기 위해 힘 측정 센서를 개발하고 손가락 끝과 마디, 손바닥에 장착했다. 손가락 끝에 장착된 힘 센서는 지름 15㎜, 무게 5g 이하의 초소형 센서로, 로봇 손과 물체가 접촉할 때 손가락 끝에서 감지되는 힘의 크기와 방향을 측정할 수 있다. 물건을 쥐는 힘을 조절하는 핵심이다.또 손가락 마디와 손바닥에는 서울대학교와 공동연구를 통하여 피부형 촉각센서도 장착했다. 피부형 촉각센서는 로봇 손과 물체의 접촉 시 접촉 부위의 분포와 힘을 측정한다.지금까지 개발된 상용 로봇 손의 경우 촉각센서가 내장되어 있으면서 동시에 손가락 구동부가 손바닥 내부에 장착된 모듈형 제품이 없어 활용에 한계가 있었다.도현민 책임연구원은 “인간형 로봇 손은 사람 손의 섬세한 움직임을 모방해 우리가 일상생활에서 사용하는 도구 등 다양한 물체를 다루기 위해 개발했다”며, “또 로봇 손의 ‘파지’ 작업 알고리즘과 로봇의 조작 지능을 연구하기 위한 플랫폼으로도 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 산업통상자원부의 ‘멀티모달인식 기반으로 일상생활환경의 다양한 물체를 파지 조작하고 도구 활용 작업이 가능한 로봇 작업 제어 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다.

편집부 2020-02-05

화학연, 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재 개발

- 플렉시블 디스플레이의 난제 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재 개발 및 제조공정 단순화- 재료과학 분야 권위지 『ACS Applied Materials & Interfaces』 12월호 게재국내 연구진이 종이처럼 구길 수 있는 디스플레이의 핵심 소재를 개발했다.한국화학연구원과 포항공대 공동 연구진이 개발한 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터이다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여, 유연성·절연성·내열성의 삼박자를 두루 갖춘 폴리이미드를 개발했다. 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김윤호 박사팀과 포항공대 정성준 교수팀은 플렉시블 디스플레이의 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자로 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 하며, 전극·반도체·절연체로 구성되어 있다. 현재는 무기물 기반의 소재들로 이뤄진 트랜지스터가 디스플레이 패널에 쓰이고 있다.디스플레이를 자유자재로 구부리거나 접으려면, 특히 디스플레이 패널 전면에 적용되는 트랜지스터용 절연체에 유연한 소재를 써야 한다. 이를 위해 다양한 고분자 기반의 후보물질이 제안됐지만, 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다. 공동 연구진은 분자설계를 최적화하여 절연성(전류 차단)과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다. 절연성을 나타내는 누설전류 밀도가 10-9A/㎠(암페어/제곱센티미터) 이하로, 기존의 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 특히, 350℃ 이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.또한, 제조공정을 단순화하는 데 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했고, 상온에서 한 번의 용액 코팅공정으로 폴리이미드 절연 박막을 형성했다. 그 결과, 유연·절연 폴리이미드를 트랜지스터 절연체에 적용해 종이처럼 구길 수 있는 유기 트랜지스터를 제작하는 데 성공했다.한국화학연구원 김윤호 박사(좌)와 박현진 박사(우)가 폴리이미드 절연 소재가 적용된 유기 트랜지스터를 현미경으로 확대해 관찰하고 있다.이에 대해 한국화학연구원 김윤호 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라면서, “특히 최근 인쇄공정 기반의 유연 전자소자 개발에도 매우 적절한 절연 소재로 활용될 수 있다”고 설명했다.또한, 김윤호 박사는 “앞으로 이번에 개발된 원천소재 및 공정기술을 바탕으로 유연 전자소자 실용화 개발 연구에 힘을 기울이겠다”고 덧붙였다.한국화학연구원 고기능고분자연구센터 연구진(왼쪽부터 김윤호 박사, 박현진 박사, 유성미 연구원)이 같은 연구성과는 재료과학 분야 권위지인 『ACS Applied Materials & Interfaces(IF:8.456)』 12월호에 ‘분자설계를 기반으로 한 저온 용액공정 가능 용해형 폴리이미드 절연 소재 개발 및 유연 유기 트랜지스터 제작(Low-Temperature Solution-Processed Soluble Polyimide Gate Dielectrics: From Molecular-Level Design to Electrically Stable and Flexible Organic Transistors)’으로 게재됐다. 이번 연구는 과학기술정보통신부의 글로벌 프런티어 사업 나노 기반 소프트 일렉트로닉스 연구단과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다.

편집부 2020-01-18