스트레쳐블디스플레이기술개발동향 l 저자 l 이정노 PD / KEIT 디스플레이 PD 실 김짐선임 / KEIT 디스플레이 PD 실 양일호대리 / 한국디스플레이산업협회 SUMMARY 목적 미래디스플레이핵심기술중, 스트레쳐블디스플레이의시장전망, 관련 application 및기술동향을 제공하여향후디스플레이 R&D 추진방향가이드제공 주요현황디스플레이는초고해상도 / 저전력 / 대면적화경향과더불어디자인자유도가증가한인간교감형디스플레이에대한요구가급격히증가지난 5년간핵심타깃품목의변화, 공급과잉심화등우리디스플레이산업을둘러싼시장환경이급변하고있음미래디스플레이시장에서우리의주도권을유지하기위해스트레쳐블디스플레이의개발이필요한시기 시사점및정책제안신축성응용제품별원천기술개발, 신축성패널핵심기술개발, 신축성부품 / 소재핵심기술개발, 공정 / 장비기반기술개발, Module 핵심기술개발에서세계선진국대비연구개발을선진행하여디스플레이의새로운응용분야확대필요부품 / 소재, 공정 / 장비분야전방산업의다변화를통한중소기업참여확대및고용창출효과극대화필요
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 1. 스트레쳐블디스플레이개요 스트레쳐블디스플레이는유리 / 실리콘등 rigid substrate 에만구현가능하였던기존의디스플레이와는달리 flexible 기판, 나아가서는 2 차원및 3 차원으로의신축이가능한다양하고새로운환경에서구현할수있는차세대디스플레이기술로정의 Stretchability 기술분야는복합적인평면및공간에 bendable/foldable 방식으로구현가능한 OLED, 투명 및멀티터치형디스플레이, wearable/rollable 디스플레이등다양한기술을포함할수있는복합적개념의차세대 디스플레이로정의될수있음 최근디스플레이관련소자기술과신소재기술의비약적인발전에힘입어단순한 flexible OLED 이후의차세대먹거리 산업으로도약하는데에핵심적인기술로성장할수있을것으로전망됨 그림 3-1 스트레쳐블디스플레이발전단계 스트레쳐블디스플레이는기술개발단계의진화측면에서 3단계구분가능 1단계는 bendable/foldable 디스플레이로서제한된범위로굽히거나접을수있는디스플레이를의미하며, 2단계에서정의된 deformable 디스플레이는더작은곡률반경을가지고 2차원에서자유로운변형이가능한기판에형성할수있는디스플레이를의미함. 이미이단계에서많은기술적난제가극복되어야하는데, 굽히거나 2차원의변형이주어져도전기적, 광학적특성이변화가없는새로운전극및반도체소재의개발과이를기반으로하는소자 / 모듈기술이필수적임마지막 3단계에서의완전한 스트레쳐블디스플레이 는로봇등인간친화형인터페이스, wearable computer 등에사용되는디스플레이를보다자유롭게구현할수있으며미래새로운산업을창출하고산업적파급효과가큰산업융합개념의차세대디스플레이로발전할수있음 054 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 디스플레이를포함한더넓은범위로서 스트레처블 electronics 는웨어러블전자소자, 로봇, 센서, 바이오소자등 다양한전자소자 / 스마트소자영역을대상으로하는기술분야로떠오르고있음 표 3-1 스트레쳐블디스플레이의단계별특징 / 기술적난이도 Bendable/foldable 디스플레이 Deformable 디스플레이 스트레쳐블디스플레이 내구성 ( 변형시 ) 해상도 ( 화질 ) 소비전력 인터랙티브 변형시 form factor 외형 ( 크기 / 두께 ) 수명 ( 안정성 ) 가격 * 항목목표달성을위해요구되는기술적난이도 : 상 ( )/ 중 ( )/ 하 ( ) 스트레쳐블디스플레이는말거나굽고접어서주머니안에넣을수있는새로운형태의모바일디스플레이를제공할수있으며, 다양한형태의변화가가능하여로봇의 skin, 생체이식형 medical device 등플렉서블디스플레이로구현가능한가장이상적인형태의미래디스플레이기술임 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 055
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 2. 스트레쳐블디스플레이특징 기술적특징 스트레쳐블디스플레이는 mobile, wearable 디스플레이 ( 의복부착형 ), TV 등대형디스플레이, 멀티터치등인터랙티브 기술과의 integration 등다양한분야에서패널 / 모듈기술로구현할수있는특징을가지고있음 그림 3-2 스트레쳐블디스플레이의제품기술별응용예 스트레쳐블디스플레이의기술적구성요소들은아래의여러가지중요부품소재기술구분에의해보다구체적으로설명될수있음 - 스트레쳐블기판소재기술 : 멀티접이형이음매기판, 1mm 이내의곡률반경구현이가능한고성능플렉서블기판, 자유로운신축이가능한 rubber 기반 deformable/ 복합기판소재, Folding 부위보강기술 - 스트레쳐블전극소재및배선 : 투과도 ( 기판포함 ) > 90%, 면저항 < 50Ω/sq 수준의고특성나노와이어및그래핀기반의투명전극소재. 향후신축성투명전극 (biaxial/arbitrary 신축 ) 과배선용소재로발전할수있는복합소재기술등이중요 - 스트레쳐블디스플레이용반도체는유기, 무기및탄소계소재기반의고성능박막트랜지스터기술이해당됨 - 스트레쳐블디스플레이용 OLED: OLED는응답속도가빠르며시야각이넓은장점을가지고있음. 또한잔상없이완벽한동영상을구현할수있고타일, 테이프또는벽지등의다양한형태로도박막디스플레이 / 조명이구현될수있어 bendable, foldable 및스트레쳐블디스플레이용화소기술로가장적합함 056 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 OLED 그림 3-3 스트레쳐블디스플레이용전도체, 배선, 투명전극 / 기판기술 - Flexible 및스트레쳐블기판을이용한디스플레이소자의안정성및수명을보장하기위한 passivation 소재, 광학 효율과소비전력향상을위한 bendable/foldable 저반사필름 / 광추출효율향상필름, 다양한형태의기판과봉지재에 적용할수있는점 / 접착제기술등의소재기술 Flexible/Stretchable display 용봉지 / 접착소재 그림 3-4 스트레쳐블디스플레이의봉지ㆍ접착소재기술 (flexible/ 스트레쳐블디스플레이를활용한다양한형태의제품군 ) Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 057
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 - 스트레쳐블디스플레이는다양한신축 / 변형이가능한기판소재, OLED와같이 flexible, bendable 및스트레쳐블 deformation 환경에서도구동이용이한소자를제작하는소재및공정기술, 부품기술, 회로기술등이융합되어구현이가능하기때문에, 스트레쳐블디스플레이기술의발전을위해선상호다른기술에대한올바른이해가필요하며, 이종기술이효율적으로융합되어야기술개발의시너지를얻을수있음 1 2 3 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Bendable&Foldable Deformable Foldable 전도체및발광소재 - 그래핀 /CNT 기반투명전극 - 금속나노선 / 폴리머복합전극 - Printable emitter(rgb) - Flexible outcoupling 구조 - Flexible 편광판 스트레쳐블발광소재 : 용액공정 OLED 소재 - 나노튜브 / 와이어복합전극적합한 injection material - Printable emitter(rgb or WOLED) - 곡면접착 /morphology 제어기술 - 유무기복합재료 스트레쳐블전극 ( 폴리머 / 탄성체기반 (rubber-like) 복합재료전도체 - 카본계 / 폴리머복합소재 - 금속나노와이어 / 폴리머복합소재 - 나노튜브 / 와이어소재와폴리머간계면 / 치수안정성 스트레쳐블전극 ( 유기박막 / 적층 ) - 탄성체 / 금속 sandwitch 구조형전극 - cathode 용 interconnects - Outcoupling/photonic 구조일체형전극 그림 3-5 융합기술로서의스트레쳐블디스플레이 : 단계별기술요구분야 058 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 산업적특징스트레쳐블디스플레이분야는패널 / 모듈 / 회로 / 디바이스, 재료및화학소재, UI/ 소프트웨어등의다양한산업분야에걸쳐영향을줄수있는제품군으로제시될수있음 - 소재산업분야 : 플라스틱 / 고무기반의신소재, 유기재료와금속 / 세라믹복합소재등 flexible/ 스트레쳐블기능을갖는신개념소재산업의특성을가짐 - 패널 / 디바이스 / 회로분야 : 기존의전자산업기반에서새로운패러다임을갖는복합기술산업분야로성장할수있음 - UI/ 소프트웨어분야 : 스트레쳐블디스플레이제품의응용분야발전에의해파생되는신산업창출이가능 Bendable/flexible 에서스트레쳐블디스플레이산업으로의전환 - 아래그림과같이 bendable( 굽힘가능 ), foldable( 접이식 ) 및스트레쳐블변형이가능한단계별로구분할수있으며, 디스플레이제품및기술개발수준의첨단을선도할수있고새로운혁신제품을창조할수있는기술. bendable/ flexible 단계에서는기존 mobile 제품의경량, 박형화와내구성향상으로시작하여, wearable/feeling 이가능한새로운 mobile 전자기기산업으로의확대가예상됨. Foldable 기능이추가된 bendable electronic device는 mobile 디스플레이의유효화소면적을더욱높일수있을것이며, 최종단계의스트레쳐블 electronics 제품은단순한전자기기산업에의파급효과를넘어생체조직과의 digital interface 의완성단계까지발전할것으로예상됨 그림 3-6 스트레쳐블디스플레이 스트레쳐블디스플레이분야는 flexible 디스플레이산업기술로부터파생되어, 향후해당시장의상당부분을장악하고, 새로운응용제품개발의견인차가될수있는융합기술적인성격을갖는산업으로인식되고있음 - 디자인 / 감성위주의시장지배요소를갖는차세대디스플레이제품으로서의요구를현실화시킬수있는핵심산업 - OLED 등자발광 / 박막형디스플레이를기본으로하고플렉서블디스플레이의 backplane, 발광화소형성, 봉지및모듈 integration 등의요소를상당부분흡수하면서새로운기판기술, 신제품응용분야를개척할수있는기술집약형융합산업 - 스트레쳐블디스플레이는능동형디스플레이로서최초로상용화된 AMOLED를기반으로하여그양산을통해구축되는유기재료, 유기소자, 신뢰성, 설비등의기술적요소를포함하는데, 이를스트레쳐블기판에구현할수있도록하기위해서는 bendable/foldable/ 스트레쳐블등다양한변형을겪는 form factor 환경에서의성능유지및신뢰성을확보하여야함. 따라서기존의플렉서블디스플레이에요구되는재료, 부품, 패널모듈을개발하는산업의성격이그대로유지되면서더욱우수한내구성을갖는제품을개발하여야할필요성이있음 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 059
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 3. 국내외산업동향 세계디스플레이시장전망 LCD 산업의성숙단계진입및주요경쟁국의본격추격화에따라고해상도패널, 고부가가치를창출할수있는차세대 디스플레이발굴시급 * 디스플레이서치 4Q 13 그림 3-7 세계 FDP 시장전망 국내시장현황및전망 ( 설비투자 ) 중국중심의투자가지속되는가운데, AMOLED 생산능력확대및 LCD 성능개선을위한신ㆍ증설투자확대전망 * 14년국내기업은총 8.6조원 (OLED 3.8조원, LCD 3.6조원, 기타 1.2조원 ) 의설비투자예상 표 3-2 디스플레이수급현황 구분 13년 13.1/4 2/4 3/4 4/4 연간 14년 생산 ( 조원 ) 10.5 11.0 11.4 11.2 44.1 44.4 내수 ( 조원 ) 1.7 2.4 2.8 2.8 9.7 12.4 수출 ( 억달러 ) 86.5 85.5 85.3 82.9 340.2 322.2 * 출처 : 한국디스플레이산업협회, 2013 060 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 플렉서블디스플레이전망 IHS에의하면 14년은플렉시블디스플레이기술개발을시작으로, 향후다양한 Application 을창출하며지속적으로성장할것으로전망 * 14년 1억달러에서 23년에 677억달러를연평균 106% 성장전망 * 출처 : IHS 13 플렉서블디스플레이가구현되기위해서는다양한기술 ( 기판, 투명전극, TFT 등 ) 중기판기술이선행되어야하며, 이를 위해패널기업에선이상적인기판을찾기위해여러소재를적용하며기술개발중에있음 그림 3-8 Flexible 디스플레이기판트렌드 * 출처 : IHS 13 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 061
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 플렉서블디스플레이는기존의 LCD 시장보다다양한분야에서활용이기대되며, 특히개인휴대용 e-reader 에서부터 군용정보기기까지산업전반에파급되어정보입출력의패러다임 shit 가이루어질것으로기대됨. 그림 3-9 플렉서블디스플레이의다양한 Application * 출처 : IHS 13 062 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 플렉서블디스플레이는 2014년부터본격적인기술개발이진행되어 2023년에는 677억불규모의시장으로성장될것으로기대됨. 플렉서블디스플레이개발의초기단계에는 e-paper 기술이중심이었으나, 초고해상도 / 동영상구현등의요구사항에의해 SDC와 LG 디스플레이중심으로모바일폰에 Bendable/Foldable 기능을부여하는플렉서블 OLED 디스플레이가 2013년이후에는크게성장할것으로기대됨. 플렉서블디스플레이는글래스기반의 LCD보다는 OLED 디스플레이가차지할것으로예상됨. 그림 3-10 Flexible 디스플레이기술별시장전망 금액기준 * 출처 : IHS 13 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 063
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 스트레쳐블디스플레이 market 전망스트레쳐블디스플레이는기존의플렉서블디스플레이가고려하지않은 신축성 을전제로하고있으므로플렉서블디스플레이와기술적으로구분되는새로운정의가필요기존디스플레이가침투하지못했던어플리케이션에침투가가능. 예를들어, 자유로운변형이가능한의류, 액세서리, 의료제품등다앙한분야에적용가능스트레쳐블디스플레이의출하량은 15년 20만대수준으로시작하여 23년에는 3억 4,240만대규모까지성장하며연간 160% 의성장률전망 그림 3-11 스트레쳐블디스플레이출하량전망 현재스트레쳐블디스플레이는기술개발단계로상용화되지는않았으나, 플렉서블디스플레이시장의성장속도와 new market 의형성등을고려하였을때, 잠재적인성장성이매우클것으로예상됨. 064 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 그림 3-12 스트레쳐블디스플레이와평판디스플레이출하량비교 전체평판디스플레이시장의출하량은 23 년 45 억 4,110 만대수준에이를것으로전망되며스트레쳐블디스플레이의 시장출하량은 3 억 4,240 만대수준까지성장하며전체평판디스플레이시장대비 7.5% 침투율전망 /, PMP,,, TV, (,, ) /,, A/V,, / /,, PID,,,,,, /,, 그림 3-13 스트레쳐블디스플레이용도별구분 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 065
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 향후 Transphone과 Transtablet이보다보편화됨에따라스트레쳐블디스플레이는 Foldable, Stretchable 등의형태로이들기기의화면크기를확장시키는 Transformable 방식으로다양하게활용 23년 46억달러, 36억달러수준까지성장할것으로전망되며, Wrist Wear 제품에서는착용성을강화시키는목적으로스트레쳐블디스플레이를적극적으로채용할예정 * 23년 Transphone, Transtablet, Wrist Wear 에서매출액점유율은각 22.6%, 17.7%, 12.5% 까지도달할것으로전망 그림 3-14 스트레쳐블디스플레이용도별매출액전망 ( 단위 : 억달러 ) Y2014 Y2015 Y2016 Y2017 Y2018 Y2019 Y2020 Y2021 Y2022 Y2023 Automotive - - 0.0 0.1 0.6 1.8 4.5 8.9 16.6 29.0 Clothing - - - - 0.0 0.3 0.9 2.3 5.0 11.7 Headwear - - - - - 0.1 0.4 1.3 3.9 9.2 Healthcare sensor - - - 0.0 0.1 0.6 2.1 5.1 11.5 23.7 Others - 0.0 0.0 0.2 0.7 2.1 4.1 6.8 9.6 10.1 Packaging - - - - - - 0.1 0.6 2.2 6.1 Transphone - 0.1 0.4 1.4 4.1 9.2 15.1 22.2 30.0 36.2 Transtablet - - 0.0 0.2 1.0 3.6 9.1 17.6 29.7 46.2 Wall Display - - - - - - - 0.3 2.0 7.0 Wrist Wear - 0.0 0.1 0.6 2.0 5.0 8.3 12.7 18.8 25.6 Grand Total - 0.1 0.5 2.5 8.5 22.7 44.5 77.8 129.4 204.8 그림 3-15 스트레쳐블디스플레이용도별매출액전망 066 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 4. 국내외기술동향 디스플레이기술은중 단기적으로 OLED, Smart Device 등이성장을견인하고장기적으로는플렉서블, 투명, 스트레쳐블디스플레이등이새로운시장을창출할것으로전망됨. 그림 3-16 디스플레이산업발전단계예측 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 067
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 차세대디스플레이의기능발전단계는 Unbreakable Unbreakable Bendable Unbreakable Rollable Unbreakable Foldable 로구별할수있고, Bendable/Foldable 기능이부가되기위해서는국부적으로스트레쳐블한특성을만족해야하고, 궁극적으로는전체디스플레이가스트레쳐블한방향으로발전할것으로예측됨. 그림 3-17 플렉서블디스플레이발전단계예측 차세대디스플레이는 comfortable&convenient to use, extremely low power, outdoor visibility, low cost의경향으로발전하고있음. 디스플레이를패널의곡률반경으로구별해볼수있는데 1G는현재의 LCD, OLED로곡률반경 (Rbending)=, 2G는 unbreakable, bendable, rugged 특성으로 Rbending < 10mm, 3G는 unbreakable, rollable 로 Rbending < 1mm, 4G는 unbreakable, foldable 로 Rbending < 1mm~0.1mm 로구분할수있겠고 4G foldable 부터는스트레쳐블한특성을요구하고있음. 068 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 차세대디스플레이기술발전단계는 Flat Conformable Rollable Foldable 스트레쳐블경향으로발전하고있고따라서기판은 glass metal foil plastic sheet/reoll rubber/elastomer 로발전하고있음. G 그림 3-18 차세대디스플레이용기판및응용분야발전방향 * 출처 : Samsung 디스플레이, 2012, SID Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 069
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 스트레쳐블디스플레이에대한기술개발은초기단계로현재까지는주로스트레쳐블일렉트로닉스기반 wearable devices 및 robot sensory skin 에서부터 bio-integrated device 에이르기까지다양한응용분야에대한잠재력및가능성을보여주는수준임. 최근의기술동향을요약해보면스트레쳐블일렉트로닉스가 Healthcare/Bio 분야응용에서디스플레이분야응용으로기술개발범위가확대되고있음. 그림 3-19 스트레쳐블일렉트로닉스개발 trend 및응용분야확대 * 출처 : UIUC, MC10, Univ. of Wisconsin, IMEC, Tokyo Univ. 스트레쳐블일렉트로닉스의가장큰과제중에하나는우수한기계적견고성과동시에전기적성능을유지하는것임. 특히, 스트레쳐블 integrated system 이높은신축성에서도구성재료와소자의기계적및전기적기능이유지되도록설계하고제작하는것임. 최근스트레쳐블일렉트로닉스는크게두가지전략으로연구되고있음. 첫번째는 rigid semiconductor nanowire, nanoribbon 및 nanomembrane 을물결모양으로만드는방법을통해서재료의파괴없이인가되는스트레인을수용하는 wavy structural configuration 방법을사용하는것과탄성기판위 rigid active device 를연결하는 interconnects 를신축성전극으로사용하는 스트레쳐블 interconnects 방법임. 070 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 스트레쳐블디스플레이분야의기술동향스트레쳐블 /Foldable 디스플레이개발을위해서는아래와같은핵심기술들이개발되어야하는데이에대해해외선진국및국내일부학교및출연연에서연구개발이시작됨 - 스트레쳐블기판상에 TFT& 디스플레이 device 제작 - 극한스트레쳐블특성 at local area (Curvature <1mm) - 스트레쳐블박막 encapsulation - 스트레쳐블소재 / 공정현재까지의스트레쳐블기술은 healthcare 혹은 bio application 위주로연구개발되고있어미국의 UIUC, MC10, Wisconsin 대학, EU의 IMEC, 일본의동경대등에서핵심기술을개발하고있음. 최근에는스트레쳐블일렉트로닉스를디스플레이에응용하기위한연구가시작되어응용분야가확대되고있음. UIUC에서는 elastomer 기판에 transfer printing 으로 LED 디스플레이를개발하였고, university of california 에서는스트레쳐블 OLED를발표함. 스트레쳐블디스플레이를구성요소별로나눠보면, 스트레쳐블 /foldable 기판, 스트레쳐블 backplane TFT, 스트레쳐블 interconnection, 스트레쳐블 passivation/capping/embedding, 스트레쳐블 emitting/reflecting device 등으로나눌수있음. 디스플레이에스트레쳐블기능을부여하는방법은기존의 inorganic 소재를이용하면서 wavy 구조를적용하는 structural approach 와스트레쳐블소재를활용하는 material approach 로나눌수있음. UIUC에서는 transfer printing 방식을이용하여다양한 wavy 구조의 interconnection 혹은스트레쳐블 TFT를제작발표함. Bending/stretching 조건에서기계적변형의신뢰성을높이기위해 neutral plane 즉, 반도체층의상 / 하부에동일한소재와두께로 stress 를 zero화하는연구도병행해서진행되고있음. Pre-strain 된 PDMS 기판에금속도체나 TFT를전사시킨후 strain 을풀면아래와같은 buckled 구조가얻어짐. 1축 pre-strain 에서는 1-D buckled 주름이생기고 2축 pre-strain 에서는 2-D buckled 주름이얻어지고이주름을통해신축성을향상시키고있음. Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 071
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 그림 3-20 Pre-strain 을이용한 1-D, 2-D buckled 구조 * 출처 : UIUC, J. Rogers 현재까지의스트레쳐블 interconnection 연구는주로이와같이 structural approach 를통해 wavy interconnection 을만드는데초점을두었으나궁극적으로는스트레쳐블가능한도체소재인 CNT, graphene, nanowire 등의복합체를이용하면쉽게수백 % 의 strain 을달성할수있음. 이러한기술은저항을배선혹은전극에맞춰낮추는기술이핵심임. 스트레쳐블 interconnection에서는 stretchability, cycling stability, 그리고 conductivity의적절한특성으로최적화하는것이필요함. 스트레쳐블 backplane TFT의경우는유기반도체나용액공정기반산화물반도체를인쇄공정으로제작하는방법과기존 Si 반도체혹은산화물반도체를 transfer printing 으로전사하여제작하는방법으로나눌수있음. 대부분의스트레쳐블전자소자는 PDMS나폴리우레탄등의 rubber 기판에제작되고있으나, 단기하이브리드기술로는플렉서블기판으로많이활용되는 PI 필름에천공하여신축성을부여하는방법도일부개발되고있음. 072 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 그림 3-21 Perforated( 천공된 ) PI 를이용한스트레쳐블 CNT TFT array 미국의 UIUC 에서는스트레쳐블 LED 디스플레이, University of California 에서는스트레쳐블 OLED 디스플레이에 대한초기시제품을발표하였고, 특히 UIUC 는스트레쳐블 TFT 와 interconnection 기술에대해다수의지적재산권과 논문을발표하였음. 그림 3-22 PDMS 위에제작된스트레처블 LED 디스플레이 * 출처 : UIUC, 삼성 SDC, 박상일 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 073
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 일본의경우는동경대소메야교수그룹을중심으로스트레쳐블일렉트로닉스를활용하여 e-skin 전자피부, 혹은디스플레이에활용하는연구개발을시작하였음. 고려대, 성균관대등에서 transfer printing 방식으로스트레쳐블 TFT를연구개발중임. 성균관대에서는 ZnO, IGZO 산화물반도체기반 TFT를 transfer printing 하여약 5% 정도의 stain까지안정적인특성을보고하였고, 고려대의 SnO 나노와이어 TFT, CNT 나노와이어 TFT를 PDMS 스트레쳐블기판상에제작하여수십 % 정도의신축성을보고한바있음. 그림 3-23 PDMS 위에제작된스트레처블 ZnO TFT * 출처 : 성균관대, 안종현 현재까지스트레쳐블발광소자에대한연구는전세계적으로전무하나플렉서블디스플레이용발광소자에신축성을 부여하여확대적용하는것을고려하는경향임. 074 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 Health-care 분야의기술동향 UIUC의 John Rogers 교수는뇌에전류를주입하여발작을진단하고심지어치료이식회로로쓰일치료이식회로를스트레쳐블일렉트로닉스기반으로연구를진행하고있음. 이기술은뇌의비이상적인신호를자동적으로감지하여뇌파활동의차이를감지해낼수있음. 이회로를피부표면에부착하여근육의움직임, 심장의활동및뇌파를감지하는테스트를진행하고있음. 이모델은신체의전기적활동뿐만아니라기존의딱딱한소자를탐지해낼수도있음. 스트레쳐블일렉트로닉스의단기상용화아이템으로접근하고있음. John Rogers 교수그룹의김대형교수는 2011년세계적인학술지 Science를통해미래의의료검진및치료에도움이되는생체모방형디바이스인전자피부 (epidermal electronics) 를보고함. 전자피부는스트레쳐블 electronic device로서기존의전자기술을활용한센서, 전원공급그리고통신구성요소들을매우얇은전극으로동시에구현함으로써가벼우면서도쉽게구부리고늘릴수있는장점을지님. 뿐만아니라높은탄성계수 (150kPa) 및굽힘강도 (<1nNm) 와같은물리적특성과두께 (<3mm), 면적, 질량밀도 (<3.8mg/cm 2 ) 와같은구조적특성이피부와유사한특성을지님. 그림 3-24 (a) 높은신축성을갖는구불구불한모양의전자회로구성, (b) 얇은두께를가지며피부에붙였다떼었다할수있는 전자피부, (c) 피부에안정적으로붙어있는전자피부, (d) 일반스티커위에구현된전자피부 * 출처 : UIUC, John Rogers Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 075
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 Northwestern university, university of illinois at urbana-champaign 와 university of pennsylvania 의연구자들은심장박동의전기적활동의고밀도지도를제작하는얇은소자를처음으로입증하였음. 이소자를심장박동표면에배치함으로써비정상적인심장리듬을치료하는방법을제공함. 이스트레쳐블회로는머리카락보다얇고작아서구부리고늘릴수있는형태로살아있는조직을모니터하고전기신호를전달할수있음. UIUC의 John Rogers 교수는심장치료를위한 bio-integrated electronics 를개발하였음. 동물의모델을이용하여, 부정맥의특정형태를감지하고멈출수있게심장조직에전류를인가하는 heat sock 를개발함. 그림 3-25 Bio-integrated electronics for cardiac therapy * 출처 : UIUC, John Rogers 풍선에구현된심장외과용및진단용소자는높은성능의반도체부품 ( 예. microscale LED) 및 RF ablation electrodes, multi-modal sensors 등을포함함. 이유연한방수회로는심장근육의표면을감싸고, 심장이박동하는동안심장근육의전기적인행동을고해상도지도로나타낼수있음. 이데이터는부정맥의특정유형을나타내는지표로사용되어질수있음. Wearable 전자소자분야의기술동향뉴질랜드 Auckland Bioengineering Institute s Biomimetics Lab은 Applied Physics Letters 논문에사람의움직임이나자연의움직임으로부터에너지를얻는 wearable energy harvesters 를보고하였음. Dielectric elastomer generators (DEGs) 로알려진커패시터발전기는착용할수있는발전기에대해커다란잠재력을보여주었음. Soft generator 는 fully soft devices 를향한또다른단계로인간의움직임을통해서전류를생산할수있는잠재력을가짐. Belgium university of gent에서는 rigid components 와 laser cut 스트레쳐블 metal interconnect 로만들어진스트레쳐블 watch을보고하였음. 076 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 그림 3-26 Rigid components 와 laser cut 스트레쳐블 metal interconnect 로만들어진스트레쳐블 watch * 출처 : Belgium university 2012년미국 Los Angeles 의 university of california 에서는최초로완전히스트레쳐블 OLED를제작함으로써셔츠에넣고다닐수있는스트레쳐블디스플레이를위한첫가능성을보여줌. 이전의연구는구부릴수는있지만, 늘릴수는없는장치이거나, rigid LED를작은스트레쳐블 connector 로연결한것이었음. 그러나 UCLA에서는탄소나노튜브와고분자전극을활용하여스트레쳐블특성을부여함. 그림 3-27 University of California 의 fully 스트레쳐블 OLED * 출처 : university of california Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 077
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 2011 년미국 Stanford University 의 Zhenan Bao 는화학물질및생물학적인분자뿐만아니라매우가벼운터치도 검출할수있는고감도전자피부를개발함. 또한아무런손상또는전력손실없이 30% 이상늘릴수있는새로운 스트레쳐블 photovoltaics 를보여줌. 그림 3-28 Stanford University 의스트레쳐블 photovoltaics * 출처 : Stanford University, Zhenan Bao 동경대 Someya 교수그룹에서는 SWCNT-polymer 신축성전극을제작, 이를압력과온도센싱이가능한전도성 고분자와결합하여압력, 온도센싱이가능한스트레쳐블 TFT array 를제작함. 그물구조를이용하여 high 스트레쳐블 TFT 센서어레이를제작하여 25% 까지인장되는특성을보고함. 그림 3-29 스트레쳐블 e-skin 연구결과 * 출처 : 동경대학교, Someya 078 한국산업기술평가관리원
ISSUE 3 스트레쳐블디스플레이기술개발동향 5. 시사점및정책제안 디스플레이는초고해상도 / 저전력 / 대면적화경향과더불어디자인자유도가증가한인간교감형디스플레이에대한요구가급격히증가하고있음. 차세대디스플레이는 Flat Conformable Rollable Foldable Deformable 스트레쳐블한방향으로전개되고있어 foldable/ deformable/ 스트레쳐블디스플레이에대한기판 /TFT/OLED/ 관련부품 소재를개발하여조기상용화를하는것이현재한국이평판디스플레이시장에서가지고있는세계 1 위의기술력과시장점유율을차세대디스플레이분야에서도지속적으로가져갈수있음 스트레쳐블디스플레이는 post flexible 디스플레이기술선도를통한지속적인세계 1 위디스플레이생산국위상강화및디스플레이산업의 first mover 로서시장의정체를타파하고신시장을창출할수있는분야임. 또한부품 / 소재, 공정 / 장비분야전방산업의다변화를통한중소기업참여확대및고용창출효과가크게기대됨 신축성응용제품별원천기술개발, 신축성패널핵심기술개발, 신축성부품 / 소재핵심기술개발, 공정 / 장비기반기술개발, Module 핵심기술개발에서세계선진국대비연구개발을선진행하여디스플레이의새로운응용분야확대를통한신시장창출그리고 post 플렉서블디스플레이기술선도로현재의세계 1 위디스플레이생산국위상과더불어미래세계 1 위디스플레이기술강국의이미지를확고히구축하고자함 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology 079
KEIT PD Issue Report PD ISSUE REPORT MAY 2014 VOL 14-5 [ 참고문헌 ] 1. Stretchable Display 산업동향및시장전망, IHS 2014 2. Next Generation Displays Revolution, IHS 2013 3. Quarterly Worldwide FPD Shipment and Forecast Report, Displaysearch 2013 [ 국내외주요기술개발현황 ] 연구기관명프로젝트명개요연구기간 서울대학교 고려대학교 코오롱글로텍 ETRI 고품위 P l a s t i c A M O L E D 원천기술개발 주야간겸용 TFT Free 능동구동 Color 전자종이원천기술개발 e-textile 구현을위한 Fiber 기반고유연성능동구동플렉서블디스플레이기술개발 150 o C 이하인쇄기반플렉서블디스플레이백플레인용산화물반도체, 절연체잉크소재및공정기술개발 6 인치급 Flexible AMOLED 를위한핵심원천기술개발 2010.3~2015.2 60 인치이상대응가능한주야간겸용 TFT Free 능동구동 Color 전자종이원천기술개발 Fiber 기판을통해이미지와동영상구현이가능한 Wearable Display Panel 1 종개발 인쇄형산화물 TFT 용저온소성고성능산화물반도체잉크원천소재개발 2012.6~2016.5 2012.6~2017.5 2012.6~2016.5 080 한국산업기술평가관리원