삼성전자 종합기술원, 피부 움직임 따라 변형 가능한 ‘스트레처블 기술’ 연구 발표

고무줄처럼 자유자재로 변형이 가능하면서도, OLED 소자의 성능을 유지하는 디스플레이 기기의 상용화 가능성 입증

스마트 기기의 외형(Form-factor)을 결정하는 디스플레이. 양옆 또는 위아래로 반복해 접고 펼 수 있는 사각형 플렉서블(Flexible) 디스플레이가 인기다. 이젠 여기서 더 나아가 고해상 대화면이면서 휴대성도 갖춘 차세대 프리폼(Free-form) 디스플레이 연구가 활발하다.

특히, 고무줄처럼 자유자재로 변형이 가능하면서도 디스플레이 소자의 성능이 떨어지지 않는 스트레처블(Stretchable) 기술이 주목받고 있다. 스트레처블 기술은 디스플레이를 공처럼 원형으로 말거나 다시 늘릴 수 있는 프리폼 디스플레이 구현의 핵심 기술이기 때문이다.

몸 움직임 따라 늘었다 줄었다… 스트레처블 연구, 세계적 학술지 게재

삼성전자 종합기술원은 사람의 피부에 부착, 몸의 움직임에 따라 늘고 줄면서도 성능 저하 없이 정상 동작 가능한 ‘스트레처블 센서와 OLED 디스플레이 개발 연구’ 결과를 지난 6월 4일(미국 현지시간), 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 발표했다^[1]. 이번 연구는 연신(길이를 늘임)에 따른 기기의 성능 안정성을 구현했다. 또한 반도체 공정에 적용이 가능해, 스트레처블 기기의 상용화 가능성을 업계 최초로 입증했다.

연구진은 스트레처블 OLED 디스플레이와 광혈류 측정(Photoplethysmography, PPG) 센서를 하나의 기기에 통합해 ‘스트레처블 전자 피부’ 폼 팩터로 구성했다. 광혈류 측정이란 혈관에 LED 등의 빛을 투사해 혈액이 통과할 때 혈관의 팽창과 수축에 따라 빛의 반사율이 달라지는 원리를 이용, 맥파를 측정하는 방법이다. 이로써 향후 스트레처블 기기의 응용처를 보다 넓힐 수 있다는 가능성도 입증한 셈이다.

▲ 스트레처블 기기의 새로운 가능성을 입증한 삼성전자 종합기술원 연구진. (왼쪽부터) 삼성전자 종합기술원 유기소재랩 정종원 전문(공동제1저자), 윤영준 전문(교신저자), 이영준 전문(공동제1저자)

피부 부착해 1천 번 움직여도 정상 작동… 웨어러블 헬스케어 제품 가능성 입증

이번 연구의 가장 큰 성과는 탄성력과 복원력이 우수한 고분자 화합물 ‘엘라스토머’의 조성과 구조를 바꿔 이를 업계 최초로 기존 반도체 공정을 통해 스트레처블 OLED 디스플레이와 광혈류 센서의 기판에 적용, 디스플레이와 센서를 30% 늘려도 성능 저하없이 정상 동작하는 것을 확인한 것이다.

▲ 삼성전자 종합기술원 스트레처블 헬스 모니터링 시스템

연구진은 요골동맥(앞팔의 바깥쪽을 통하는 동맥으로 보통 맥을 짚는 동맥)이 위치한 손목 안쪽에 스트레처블 광혈류 측정 심박 센서와 OLED 디스플레이를 통합한 전자 피부를 부착했다. 전자 피부는 손목 움직임에 따른 피부의 최대 변형 정도인 30%까지 특성 저하가 없었다. 또한, 1,000회 반복해 길이를 늘렸을 때도 OLED 디스플레이와 광혈류 센서가 안정적으로 구동했다. 특히 광혈류 센서는 손목이 움직일 때를 기준으로 고정형 실리콘 센서 대비 2.4배 높은 심박 신호를 추출하는 결과를 얻었다.

윤영준 전문연구원은 “연신 성능이 높은 센서와 디스플레이는 실제 피부와 일체감이 우수하기 때문에 수면, 운동 등 일상에서 제약 없이 장시간 생체 정보를 측정할 수 있는 것이 장점”이라며, “특정 질환을 지닌 환자뿐 아니라 일반인과 영유아를 위한 웨어러블 헬스케어 제품으로 응용 가능성도 클 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲ 삼성전자 종합기술원 윤영준 전문연구원

독자 소재와 소자 기술 적용… 내성과 안정성 확보

스트레처블 디스플레이는 폼팩터 혁신의 종착점이라고도 할 만큼 기술 구현이 어렵다. 일반적으로 디스플레이가 늘어나거나 모양이 변할 때는 장치가 끊어지거나 성능 저하가 발생한다. 이를 극복하려면 기판, 전극, 박막트랜지스터, 발광층, 센서 등 모든 소재와 소자가 물리적 신축성과 전기적 특성을 동시에 유지해야 한다.

연구진은 기존 스트레처블 기기 기판에 사용되던 플라스틱 소재를 엘라스토머로 교체하고, 업계 최초로 미세 패터닝과 대면적 공정이 가능한 포토 리소그라피 공정을 활용하여 디스플레이와 센서를 구현하였다.

엘라스토머는 변형에 따른 연신률과 복원력이 플라스틱에 비해 수십에서 수백 배까지 우수한 소재다. 하지만, 열에 취약해 기존 반도체 공정을 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구진은 소재의 분자 조성을 조절해 내열성을 강화하고 분자 사슬을 화학적으로 묶어, 반도체 공정에 사용되는 물질에 대한 내성도 확보했다.

또한, 소자 구조를 개선해 연신에 따른 복원력이 낮은 OLED의 안정성도 극복했다. 이영준 전문연구원은 “외부 압력이 가해지면 소자에 변형이 발생하는데, 이때 OLED 등 딱딱한 소자들은 쉽게 깨지거나 특성 저하 문제가 발생한다”며 “이를 극복하기 위해 연신 성능이 강한 엘라스토머 영역에 외부 압력을 집중시키고 OLED 픽셀 영역에는 최소화하는 ‘아일랜드(Island) 구조’를 적용했다”고 말했다.

이와 동시에 엘라스토머 영역에는 미세한 균열을 형성해 변형에 대한 안정성을 높인 ‘연신 전극 소재(Cracked Metal)’를 적용함으로써 OLED 픽셀 자체는 변형되지 않으면서 픽셀 사이의 공간과 배선 전극이 늘거나 줄어들 수 있도록 설계했다.

▲ 아일랜드(Island) 구조로 형성된 OLED와 균열 금속(Cracked Metal) 전극

▲ 삼성전자 종합기술원 이영준 전문연구원

기술 정확도 높여 스트레처블 기기 상용화 힘쓸 것

스트레처블 센서는 피부와 접착성이 우수하다. 이 때문에 기존 고정형 웨어러블 기기 센서에 비해 노이즈 신호가 적어 보다 높은 감도로 지속적인 심박 측정이 가능하다.

삼성전자 종합기술원 연구진이 개발한 스트레처블 광혈류 센서와 OLED 디스플레이는 기존 스트레처블 소재를 비롯해 소자의 성능과 공정의 한계를 극복한 결과다. 특히, 엘라스토머 소재의 내화학성과 내열성을 확보해 향후 고해상 대화면의 스트레처블 기기 상용화 가능성을 높였다는 데에도 의미가 크다.

정종원 전문연구원은 “전자 피부 해상도와 연신성, 측정 정확도를 양산 수준으로 올려 스트레처블 기기의 상용화에 더 다가가는 것이 목표”라며 “앞으로 전자 피부 심박 센서뿐 아니라 산소 포화도, 근전도, 혈압 등 다양한 생체 신호를 모니터링할 수 있는 스트레처블 센서와 고해상도 프리폼 디스플레이로 확장할 것”이라고 강조했다.

▲ 삼성전자 종합기술원 정종원 전문연구원