종이처럼 구길 수 있는 디스플레이 핵심 소재가 곧 나올 것으로 보인다. 한국화학연구원 고기능고분자연구센터 김윤호 박사팀과 포항공대 정성준 교수팀은 플렉시블 디스플레이 난제였던 ‘트랜지스터용’ 유연·절연 소재를 개발하고 제조공정을 단순화하는 데 성공했다.

트랜지스터는 디스플레이를 구동하기 위한 소자이다. 해상도를 정하는 픽셀의 켜짐·꺼짐을 제어하는 역할을 한다. 전극·반도체·절연체로 구성돼 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 제안됐는데 절연체의 필수조건인 전류를 차단하는 절연성 확보가 관건이었다.

공동연구팀은 분자설계를 최적화해 절연성(전류 차단)과 유연성, 내열성의 삼박자를 동시에 갖춘 폴리이미드 기반의 유연·절연 소재를 개발했다. 절연성을 나타내는 누설전류밀도가 10-9A/㎠(암페어/제곱센티미터) 이하로 기존 트랜지스터용 무기 절연체와 유사한 수준이다. 특히 섭씨 350도 이상의 우수한 내열성을 가지고 있어 기존 디스플레이 패널 제조공정에도 충분히 적용할 수 있다.

제조공정을 단순화하는 데도 성공했다. 기존 폴리이미드 제조에 필수인 200도 이상의 고온 열처리 과정이 필요 없는 상온 용액공정을 개발한 것이다. 분자설계를 통해 용매에 녹을 수 있는 폴리이미드 소재를 개발했다. 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.

김윤호 한국화학연구원 박사는 “이번에 개발된 폴리이미드 절연 소재는 현재 디스플레이 패널 제조공정 환경에도 충분히 적용될 수 있을 것”이라며 “최근 인쇄공정 기반의 유연전자소자 개발에도 매우 적절한 절연 소재로 활용될 수 있다”고 설명했다. 김 박사는 “앞으로 이번에 개발된 원천소재와 공정기술을 바탕으로 유연 전자 소자 실용화 개발 연구에 힘을 기울이겠다”고 말했다.

연구성과는 재료 과학 분야 국제학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 12월호(논문명: Low-Temperature Solution-Processed Soluble Polyimide Gate Dielectrics: From Molecular-Level Design to Electrically Stable and Flexible Organic Transistors)에 실렸다.