한국생산기술연구원(이하 생기원)은 한양대 공동연구팀과 반복적인 긁힘·접힘에도 표면 성능을 스스로 회복할 수 있는 고경도 코팅 소재 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

생기원 녹색순환연구부문 홍성우 수석연구원과 고민재 한양대 화학공학과 교수 연구팀이 연구에 참여했다. 이들이 개발한 코팅 소재는 손톱이나 동전으로 긁어도 흠집이 나지 않고, 상온에서 10초 이내에 긁힘이 복구된다. 또 20만 회 이상 접어도 손상이 없다.

연구팀은 폴더블 디스플레이의 '트레이드 오프' 손상을 해결하고자 코팅 소재를 개발했다. 폴더블 디스플레이 표면은 잦은 접촉·접힘으로 인해 쉽게 눌리거나 긁힌다. 손상이 누적되면 화면의 선명도가 낮아지고, 터치 감도가 둔해져 제품 품질에 악영향을 준다.

연구진은 구체적으로 코팅 소재에서 표면과 내부의 역할을 분리하는 새로운 설계 방식을 도입했다. 이들은 특정한 성질을 가진 '이미드(Imide)' 기반 첨가제를 개발한 뒤, 이를 기존 코팅 재료에 소량 혼합해 새로운 코팅 소재를 만들었다.

구체적으로 이미드는 표면으로 이동하려는 성질과 내부 고분자 사슬 간 상호 작용을 동시에 갖도록 설계됐다. 이에 기반한 첨가제는 코팅막이 굳어지는 과정에서 물 위의 기름처럼 표면 쪽으로 이동, 나노미터 크기로 뭉쳐 표면과 내부 성질이 다른 구조를 형성한다.

이같은 특성을 통해 표면 보호 기능과 자가치유 기능이 동시에 구현된다는 설명이다. 코팅 표면에 뭉쳐진 첨가제는 화학 물질과 잘 섞이지 않는 구조를 띠며, 단단한 보호층을 이루기 때문에 긁힘 등 물리적 자극이나 화학 물질 노출로 인한 손상을 막아준다.

또 코팅 내부는 첨가제와 고분자 사슬이 강하게 상호작용해, 긁힘으로 벌어진 구조를 안쪽부터 메운다. 상온에서도 표면의 흠집을 빠르게 회복시킨다.

코팅 소재를 연필로 긁어보는 시험을 한 결과, 경도는 4H 수준으로 나타났다. 연필 경도 시험에서 가장 단단한 단계가 9H다. 손톱이나 동전 등 물질에 쉽게 긁히지 않고, 코팅 표면에 형성된 긁힘도 상온에서 약 10초 이내에 사라지는 것을 확인했다.

이 밖에도 접힘 반경 1.5㎜ 조건에서 20만 회 이상 굽혀보는 시험, 톨루엔(Toluene)에 18시간 이상 담가두는 내화학성 시험에서도 균열·박리·투명도 저하 없이 성능이 유지됐다.

첨가제는 소량만 추가하면 되기 때문에 별도의 설비 투자나 공정 변경 없이 생산에 적용할 수 있다는 장점이 있다. 또 유리, 플라스틱 등 다양한 소재 기판에 코팅할 수 있어 여러 형태의 표면 보호 공정에 폭넓게 활용할 수 있다.

홍성우 수석연구원은 "폴더블 디스플레이는 물론 자동차, 고부가 전자제품 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 연구는 화학공학 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널' 온라인판에 지난달 게재됐다.

legomaster@news1.kr