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첨가제에 의해 형성된 표면–내부 역할 분리 코팅 구조 모식도. 생기원 제공 |
한국생산기술연구원(생기원)은 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원과 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 공동 연구팀이 손톱이나 동전으로 긁어도 흠집이 나지 않고, 상온에서 10초 이내에 긁힘이 복구되며, 20만 회 이상 접어도 손상 없는 코팅 소재를 개발했다고 22일 밝혔다.
폴더블 디스플레이 표면은 외부와의 접촉이나 반복적인 접힘으로 인해 쉽게 눌리거나 긁힘이 발생한다.
기존 디스플레이 표면 코팅은 표면을 단단하게 만들수록 손상 후 스스로 회복하는 능력이 떨어지고, 반대로 자가치유 성능을 높이면 긁힘에 대한 보호 기능이 제한되는 한계를 안고 있다.
연구팀은 트레이드 오프(Trade-off) 현상을 해결하기 위해 코팅 소재에서 표면과 내부의 역할을 분리하는 새로운 설계 방식을 도입했다.
표면으로 이동하려는 성질과 내부 고분자 사슬 간 상호 작용을 동시에 갖도록 설계한 이미드 기반의 첨가제를 개발한 후 이를 기존 코팅 재료와 소량 혼합해 새로운 코팅 소재를 만들었다.
개발된 첨가제는 코팅막이 굳어지는 과정에서 물 위의 기름처럼 스스로 표면 쪽으로 이동하며, 나노미터 크기로 뭉쳐 표면과 내부 성질이 다른 구조를 형성한다.
연구팀은 이 과정에서 나타난 특성을 통해 표면 보호 기능과 자가치유 기능을 동시에 구현하는 데 성공했다.
연필 경도 시험 결과 4H 수준으로, 손톱이나 동전 등의 물질에 쉽게 긁히지 않고, 코팅 표면에 형성된 긁힘도 상온에서 약 10초 이내에 사라지는 것을 확인했다.
접힘 반경 1.5㎜ 조건에서 20만 회 이상 굽힘 시험을 반복하고, 톨루엔(Toluene)에 18시간 이상 담가두는 내화학성 시험에서도 균열이나 박리, 투명도 저하 없이 성능이 유지됐다.
개발된 첨가제는 소량만 추가하면 되기 때문에 별도의 설비 투자나 공정을 변경하지 않고 기존 코팅 생산 공정을 적용할 수 있다는 장점이 있다.
홍성우 수석연구원은 "이번 연구는 높은 경도, 자가치유 기능, 유연 신뢰성을 동시에 구현했다는 점에서 의미가 크다"며 "기존 생산 공정에 첨가제만 추가하면 구현할 수 있어 폴더블 디스플레이는 물론 자동차, 고부가 전자제품 등 다양한 표면 보호 코팅 분야로 활용할 수 있다"고 말했다.
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