피부 움직임 따라 늘었다, 줄었다…삼성, '스트레처블 디스플레이' 개발

[아시아경제 김흥순 기자] 삼성전자가 고무줄처럼 자유자재로 변형이 가능하면서도 소자의 성능은 유지되는 '스트레처블(Stretchable) 디스플레이' 기술을 개발하는 데 성공했다.

삼성전자 종합기술원은 사람의 피부에 부착해 몸의 움직임에 따라 늘고 줄면서도 성능이 저하되지 않는 '스트레처블 센서와 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이 개발 연구' 결과를 지난 4일(미국 현지시간) 세계적인 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 발표했다고 6일 밝혔다.

이번 연구는 연신(길이를 늘임)에 따른 기기의 성능 안정성을 구현하고 반도체 공정에 적용이 가능해 스트레처블 기기의 상용화 가능성을 업계 최초로 입증한 점이 성과라고 삼성전자는 설명했다.

연구진은 스트레처블 OLED 디스플레이와 광혈류 측정(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 원리로 맥파를 측정하는 방법이다.
연구진은 이를 통해 향후 스트레처블 기기의 응용처 확대 가능성을 입증했다.

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 적용하고, 디스플레이와 센서를 30% 늘려도 성능 저하없이 정상 동작하는 것을 확인했다는 점이다.

연구진은 요골동맥(앞 팔의 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 없었고 1000회를 반복해 길이를 늘였을 때도 OLED 디스플레이와 광혈류 센서가 안정적으로 구동했다.
특히 광혈류 센서는 손목이 움직일 때를 기준으로 고정형 실리콘 센서보다 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 가능성이 클 것"이라고 말했다.

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.
또 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 구조를 적용했다"고 설명했다.

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

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.