▲ 나비의 우화 과정에서 영감을 받아 제작된 전자 장치 / 나비는 우화 시 체액에 젖어져 있어 강성이 낮아 주름진 날개를 완벽히 펼 수 있다. 날개가 펴진 후 체액은 급격히 마르기 시작하는데, 완전히 마른 날개는 높은 강성을 가져 비행에 적합한 강성을 가진다. 개발된 전자 복합체는 나비의 우화 과정 중 강성 변화에서 영감을 받아 제작되었으며 구겨졌을 때 강성이 급격히 낮아져 주름을 펼 수 있으며, 사용 중에는 강성이 높아져 사용자의 편의성을 확보할 수 있다.(그림 및 설명=아주대학교 기계공학과 노연욱 박사후연구원)  © 특허뉴스

구김과 펼침을 반복해도 주름이 잡히지 않는 새로운 디스플레이의 적용 가능성이 제시됐다.

한국연구재단은 한승용, 강대식, 고제성 교수(아주대학교) 연구팀이 변형을 해도 유리전이온도 이상에서 본래 형상으로 돌아가는 스마트 소재인 ‘형상기억폴리머’ 소재를 활용해 자유롭게 형태를 변형할 수 있으면서도 접힌 부분의 구겨진 주름을 스스로 펼 수 있는 전자 장치를 개발했다고 밝혔다. 

폴더블 디스플레이 기반 전자 장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 반복되는 접힘 자국으로 인해 발생하는 주름은 장치의 성능을 저하시키거나 화면 왜곡과 같은 문제를 야기해 장치의 형상 변형에 큰 제약이 됐다. 

이전 연구들은 유연한 재료를 사용해 주름 문제를 해결하려 했으나, 이런 재료로 만들어진 전자 장치는 높은 마찰력, 형태 유지의 어려움, 낮은 내구성 등으로 인해 실제 사용에 한계가 있었다. 

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 우화 과정 중 체액 활용으로 강성 변화를 나타내는 나비 날개의 메커니즘에 착안, 부드러움과 딱딱함을 약 700배까지 조절할 수 있는 형상기억폴리머를 활용해 전자 장치를 제작하고, 구겨진 상태에서의 소성 변형(물질이 접힘으로 인해 본래 형상으로 돌아오지 못할 정도로 변형이 된 상태(ex: 주름))을 회복하는 데 성공했다.

개발된 전자 장치는 강성이 낮은 엘라스토머(고무와 같은 특성을 가진 폴리머 재료로 큰 변형을 겪어도 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 높은 탄성을 가지고 있음) 층을 결합하여 회복 불가능한 소성 변형을 방지하는 완충 기능을 갖추고 있으며, 변형에 강한 은 나노와이어 전극을 내장했다. 

작은 알약에도 압축해 보관할 수 있는 이 장치는 단단한 강성을 유지하지만, 꺼내서 열을 가하면 형상기억폴리머의 강성이 순간적으로 낮아져 주름이 사라지게 된다. 이 과정에서 전극이 재연결되어 구겨지기 전과 같은 터치 패널 기능을 수행할 수 있다. 

한승용 교수는 이번 연구 성과에 대해 “전자 장치의 휴대성을 크게 향상시키는 것은 물론, 장기적으로는 전자 폐기물 감소에 기여할 것”이라며, “향후 폴리머 기반 발광층(PLED)과 결합되어 새로운 사용자 맞춤형 디스플레이가 될 수 있다”고 설명했다. 

이번 연구 성과는 전자 공학 분야 국제학술지 ‘네이쳐 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 12월 6일에 게재되었다.

논문명은 Crumple-Recoverable Electronics based on Plastic to Elastic Deformation Transitions 이다.