우리 학교 전기및전자공학부 정재웅 교수와 신소재공학과 강지형 교수 공동연구팀이 평판 디스플레이와 유연/신축성 디스플레이의 장점을 모두 가진 3차원 디스플레이 폼팩터를 개발했다고 밝혔다. 본 연구는 전기및전자공학부 오수빈 박사과정이 제1 저자로 참여하여 지난 6월 12일, ‘Advanced Functional Materials’에 게재되었다.
 

기존 디스플레이 폼팩터의 문제점

디스플레이 폼팩터는 디바이스의 하드웨어다. 보통 형태나 물리적 특성으로 구분되는데 크게 평판 디스플레이와 유연/신축성 디스플레이로 나뉘었다. 예전에는 단단한 평판을 사용하는 디스플레이를 주로 사용하여, 물체들을 고정하거나 휴대용으로 손에 들기 편한 장점이 있었다. 그러나, 평판 디스플레이는 기계적 유동성이 떨어져 웨어러블 기기나 곡면에 붙여 쓸 수 없다는 단점이 있어 최근에는 유연하고 신축성이 있는 디스플레이를 이용하였다. 반면에, 유연/신축성 디스플레이는 웨어러블 기기에 사용할 수 있지만, 화면을 조작하려고 하면 그 압력을 견디지 못하고 쉽게 형태가 변한다는 단점이 있다.
 

3차원 형태가 고정되는 디스플레이

기존의 두 디스플레이의 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 다른 구조물로부터 지지받지 않은 상태에서 단단한 상태로 유지할 수 있는 차세대 디스플레이를 개발했다. 이 디스플레이는 평판 디스플레이처럼 평면 형태로 제작을 하게 되는데 이 상태로는 울퉁불퉁한 표면에 부착할 수 없으므로 형태를 변형하는 과정을 거치게 된다. 먼저, 열적 자극을 주게 되면 디스플레이의 기계적 물성을 바꿀 수 있게 특성이 변한다. 그 상태에서 다른 구조물 등을 통해 디스플레이의 형태를 변형시킨 후 온도를 낮추면 원하는 모양으로 형태를 고정할 수 있다. 또한, 다시 열을 가해주면 원래의 2D 상태로 돌아와 연속적으로 다양한 형태를 구현할 수 있다.
 

디스플레이에 사용된 기술

본 연구에서 가장 핵심적인 재료는 기계적 물성을 변화시킬 수 있어야 하므로 열적 자극에 대해 기계적 물성이 변환되는 액체 금속이다. 갈륨을 그 액체 금속으로 자주 사용하지만, 개발한 디스플레이에서는 필즈 메탈(Field’s metal)이라는 저융점 합금을 사용했다. 이 금속은 녹는점이 대략 62도 정도로 갈륨보다 높아 상온에서 조금 더 단단하게 유지될 수 있다. 그리고 열적 자극을 줬을 때 신축성을 가지고 있어야 하므로 고분자를 필즈 메탈과 함께 섞어서 디스플레이를 제작했다.

마지막으로 그래핀 나노 입자도 같이 들어간다. 만약 액체 금속만 사용한다면 상변화 과정에서 조금 지연이 생기고, 특히 냉각 과정에서 과냉각 문제로 고체가 안 되는 경우가 존재한다. 그러다 보니 형태 유지에 어려움을 가질 수 있게 된다. 그러나 그래핀 나노 입자가 들어가면서 전기에 의한 열전도성이 높아지게 되고, 줄 발열을 통해 빠르게 온도를 높일 수 있으며, 반대로 빠르게 열을 발산시켜 냉각도 용이하게 한다.
 

운전자를 위한 디스플레이부터 아름다운 아트 디스플레이까지

개발된 디스플레이는 다양한 곳에서 사용할 수 있다. 사람이 운전하면서 디스플레이를 직접 보고 조작한다면 사고 위험이 올라가지만, 이 디스플레이를 사용한다면, 직접 보지 않고도 촉각만으로 조작할 수 있도록 디스플레이의 형태를 바꿀 수 있다. 또한, 기존의 유연/신축성 디스플레이의 장점인 웨어러블 디스플레이에서 더 나아가 가변형 웨어러블 디스플레이에도 활용할 수 있다. 이 외에도 시각적으로 움직임을 가지는 스마트 아트 디스플레이에도 활용할 수 있다는 점에서 이 디스플레이는 혁신적 폼팩터라고 할 수 있다.
 

오 박사과정은 연구실이 주로 다뤘던 갈륨과는 다른 새로운 저융점 합금을 활용할 때 기계적, 열적 특성 등을 처음부터 측정, 분석해야 했다고 밝혔다. 또한, 디스플레이를 차량용으로 활용할 때 차량의 내부 소프트웨어를 어떻게 연결할지 고민하는 어려움이 있었다고 덧붙였다. 그러나 그런 문제들을 해결해 나가며 성취감을 많이 느낀 것 같다고 전했다.