표면처리기술 플렉서블 HC(Flexible Hard Coating)

같은 하드코트를 2μm에서 25μm로 두껍게 하면 연필경도는 6H에서 9H로 오르지만, 바깥으로 20만 번 접어 견디는 반경은 1mm에서 5mm로 커집니다. 늘어나는 쪽에서 금이 번지는 한계가 두께의 제곱근에 반비례하기 때문입니다. 무른 층 위에 얇고 단단한 층을 얹는 해법, 커버윈도가 CPI에서 UTG로 넘어간 뒤 하드코트의 자리, 그리고 2부를 표면 거칠기 한 축으로 정리합니다.

폴더블 화면 맨 위의 하드코트는 긁히지 않아야 하고, 수없이 접혀야 한다. 앞 편에서 본 대로 필름 위 하드코트는 무른 바탕에 경도를 빌려주는 층이다. 경도를 올리는 가장 쉬운 길은 두껍게 바르는 것이다.

접는 필름 위에서는 그 길이 막힌다. 단단하게 만들수록 접기 어려워지는 두 요구를 한 층이 함께 맡아야 한다. 이 편은 그 맞교환이 어디서 생기는지, 업계가 어떻게 풀었는지, 커버윈도가 유리로 넘어간 뒤 하드코트가 어디로 갔는지를 본다.

두꺼울수록 단단하고, 두꺼울수록 못 접는다

같은 하드코트를 두껍게 바르면 연필경도는 오르고, 바깥으로 접을 수 있는 반경은 커진다. BenQ 머티리얼즈는 2019년 출원에서 이 맞교환을 한 표로 남겼다.

바탕은 두께 30마이크로미터 투명 폴리이미드다. 아크릴레이트에 반응성 실리카 나노입자를 섞은 같은 코팅을 두께만 바꿔 일곱 가지로 바르고, 750g 연필경도와 접힘 내구를 쟀다.

접힘 시험은 180도로 접었다 펴기를 20만 번 하고 금이나 끊김이 생겼는지 본다. 바깥 접힘은 하드코트가 바깥에 오도록, 안 접힘은 안에 오도록 접는다. 바깥 접힘 반경은 1mm부터 5mm까지 1mm 간격으로 시험했다.

코팅은 우레탄아크릴레이트 올리고머에 두 가지 실리카를 섞었다. 아크릴로 표면을 바꾼 실리카와, 실세스퀴옥산(POSS)을 붙인 실리카다. 질소 속에서 자외선 298mJ/cm²로 굳혔다.

9H를 얻은 25마이크로미터는 반경 5mm보다 좁게는 바깥으로 접히지 않았다. 반대로 반경 1mm까지 바깥으로 접힌 2마이크로미터는 6H에 머물렀다. 안으로 접을 때는 일곱 두께가 모두 반경 1mm를 통과했다.

같은 막이 접는 방향에 따라 반경으로 다섯 배까지 차이를 보였다. 왜 바깥으로 접을 때만 이렇게 갈리는가가 이 편의 첫 질문이다.

왜 바깥으로 접을 때만 깨지나

필름을 접으면 안쪽 면은 줄어들고 바깥쪽 면은 늘어난다. 그 사이에 늘지도 줄지도 않는 면이 있고, 이를 중립면이라 한다. 면이 늘거나 주는 정도, 곧 변형률은 중립면에서 떨어진 거리를 반경으로 나눈 값에 가깝다.

하드코트를 바깥에 두면 코팅이 늘어난다. 단단하고 잘 늘지 않는 막을 당기면 막을 가로지르는 금이 생겨 옆으로 번진다. 안에 두면 코팅이 눌린다. 눌린 막에서는 금이 벌어지지 않는다.

박막 파괴역학으로 보면, 눌리는 막은 들뜬 자리가 먼저 있고 그곳이 휘어 올라야 떨어지기 시작한다. 당겨지는 막에는 그런 전제가 없다. 3M의 실험에서도 같은 코팅이 안쪽으로는 모두 반경 2mm 막대를 감았고, 바깥쪽으로는 3~6mm가 필요했다.

두께가 왜 문제인지는 두 가지가 겹친다. 첫째, 코팅이 두꺼워지면 겉면이 중립면에서 멀어져 같은 반경에서도 더 늘어난다. 둘째, 막이 견딜 수 있는 한계 자체가 줄어든다.

당겨지는 취성 막에 금이 번지기 시작하는 변형률은 막 두께의 제곱근에 반비례한다. 금이 한 걸음 번질 때 풀려나는 에너지는 막이 두꺼울수록 커지는데, 막이 금을 막아 내는 저항은 두께와 상관이 없다. 두께가 네 배면 견디는 변형률은 절반이 된다.

바탕도 한몫한다. 같은 이론에서 바탕이 막보다 무를수록 막이 덜 붙들려 금을 번지게 하는 힘이 커진다. 단단한 하드코트를 무른 폴리이미드에 올린 필름은 그 점에서 불리한 조합이다.

두께의 두 효과를 BenQ 표에 대 보았다. 폴리이미드와 하드코트 탄성률을 같은 6GPa로 두고 반경마다 겉면 변형률을 계산했다. 한계는 「상수÷√두께」 하나로 두었는데, 상수를 2.7~2.8%·√μm로 잡으면 일곱 줄의 반경이 모두 맞는다.

같은 현상은 나노미터 막에서도 보인다. 두께 50마이크로미터 CPI 위에 산화규소계(SiOC) 막을 올린 2021년 연구에서, 반경 2mm로 10만 번 접자 100나노미터 막은 안팎 모두 멀쩡했고 300나노미터 막은 바깥 접힘에서 금이 갔다.

그 연구가 쓴 식으로 계산하면 두 막의 겉면 변형률은 1.25% 안팎으로 거의 같다. 같은 반경에서 갈린 것은 늘어난 정도가 아니라 견디는 한계였다. 아래 시뮬에서 두께와 반경, 접는 방향을 바꿔 보면 그 경계를 볼 수 있다.

접힘 반경은 무엇을 잰 숫자인가

「반경 1mm 통과」도 9H처럼 조건을 함께 적어야 비교할 수 있는 숫자다. 이 편에서 인용한 시험만 해도 하드코트를 두는 방향, 반복 여부, 횟수가 제각각이다.

BenQ의 장비는 두 판 사이 거리를 2mm에서 10mm로 바꿔 반경 1~5mm를 만든다. 반경은 판 사이 거리의 절반이다. 3M은 판 간격을 약 8mm로 두고 분당 30번 정도 접었고, 막대에 감는 시험은 도료 규격 ASTM D522를 고쳐 썼다.

코오롱 방식에는 반복이 없다. 한 번 굽혀 금이 처음 생기는 반경을 잰다. 20만 번 접어 통과한 반경과 한 번 굽혀 금이 생긴 반경은 같은 「R」로 적혀도 다른 값이다.

반복이 결과를 바꾼다는 예도 있다. 2024년 Nature Communications에 실린 코팅은 CPI 위에서 반경 1.5mm로 U자 굽힘을 1만 번 견뎠지만, 1.0mm에서는 300번 만에 금이 갔다.

같은 문제는 연필 쪽에도 있다. 3M은 1kg 하중 연필 시험에서 두 값을 따로 적었다. PET가 먼저 눌려 자국이 남는 등급은 대부분 2H였고, 하드코트에 금이 가는 등급은 4H~6H였다. 앞 편에서 본 「무른 바탕이 함께 꺼진다」가 숫자로 찍힌 셈이다.

무른 층을 깔고 단단한 층을 얹는다

두께를 줄이지 않고 접히게 하려면 막 전체를 단단하게 만들지 않으면 된다. 공개된 해법은 크게 셋이다.

첫째는 코팅 속 입자가 수지와 얼마나 단단히 묶이는지를 조절하는 것이다. 3M은 지름 20나노미터 실리카를 58중량% 넣은 5마이크로미터 하드코트를 PET에 바르고, 입자 표면의 반응기 비율만 바꿔 비교했다.

입자 표면이 전부 반응기면 문질러도 닳지 않았지만, 바깥 접힘에 반경 6mm가 필요했고 반복 접힘 500번에서 실패했다. 반응기가 전혀 없으면 20만 번 넘게 접혔지만 1,000번 문지르자 닳았다.

반응기와 비반응기를 5 대 95로 섞은 입자가 반경 4mm, 20만 번 이상, 마모 통과를 함께 냈다. 같은 표에서 반응기를 줄일수록 시편 컬도 5.0mm에서 0.5mm로 줄었다. 앞 편의 숙제였던 컬도 함께 줄어든다.

둘째는 층을 둘로 나누는 것이다. 코오롱인더스트리는 폴리이미드 위에 비커스 경도 40 이하의 무른 층을 깔고, 그 위에 55 이상의 단단한 층을 얇게 올리는 구조를 출원했다. 두 층 모두 실록산 계열이다.

단단한 층만 10마이크로미터 바르면 스틸울에는 견뎠지만 반경 3.0mm에서 금이 가기 시작했다. 무른 층만 10마이크로미터면 1.0mm 이하까지 휘었지만 스틸울에 긁혔다.

무른 층 8, 단단한 층 2마이크로미터로 나누자 반경 1.2mm까지 버티면서 긁히지도 않았다. 겉면에는 단단한 층이 있고, 두께의 대부분은 무른 층이 맡는다. 앞 절의 식대로라면 단단한 층이 얇을수록 금이 번지는 한계도 높다.

인장 시험의 파단 변형률도 표에 남았다. 단단한 단층은 3.0%에서 끊어졌고, 2층 구조는 6.3%였다. 무른 단층은 31%까지 늘었지만 긁힘을 막지 못했다.

코오롱은 같은 특허에서 연필경도가 사람 눈 판정에 기대는 시험이라며 쓰지 않고, 압입 경도와 굽힘 반경으로 성적을 매겼다. 앞 편에서 본 「9H는 하중과 바탕을 함께 적어야 비교된다」와 같은 문제의식이다.

셋째는 접히는 자리만 다르게 만드는 것이다. 삼성디스플레이는 2015년 출원에서 플라스틱 커버윈도 윗면에는 하드코트를 고른 두께로 바르고, 아랫면 하드코트는 접히는 영역만 주변보다 얇게 한 구조를 냈다.

아랫면 층은 윗면보다 탄성률이 낮은 재료로 두었다. BenQ도 특허 배경에 접히는 부분과 아닌 부분의 코팅 두께를 달리하는 방법이 제안돼 있다고 적었다. 맞교환을 접히는 자리에서만 풀겠다는 생각이다.

막 전체를 무르게 가져가는 길도 있다. 앞 편 그림 1의 Nature Communications 코팅은 CPI 위에서 연필 7H를 넘기면서도, 압입으로 잰 탄성률이 2.25GPa로 유리의 수십 분의 1이다. 코팅과 CPI를 각각 50마이크로미터로 만든 시편이 반경 1.5mm 굽힘을 1만 번 견뎠다.

금은 하드코트에만 가지 않는다. 도요보는 PET 50마이크로미터 위에 하드코트 10마이크로미터를 올린 필름을 하드코트가 안쪽에 오도록 반경 3mm로 20만 번 접는 시험을 썼다. 연필경도 합격선은 3H였다.

도요보가 이 출원에서 겨냥한 결함은 하드코트 아래 이접착층이다. 접은 자리에서 이 층에 생긴 미세한 금이 무지개 얼룩으로 보인다. 그래서 이 층에 넣는 입자의 분포를 방향에 따라 달리하고, PET 필름의 굴절률을 방향별 범위로 묶었다.

커버윈도는 왜 유리로 갔나

2019년 첫 폴더블 폰들은 하드코트를 입힌 투명 폴리이미드(CPI) 필름을 맨 위에 썼다. 갤럭시 폴드에는 스미토모화학의 CPI가 쓰인 것으로 보도됐고, 동우화인켐이 그 필름의 코팅을 맡는다는 보도가 앞서 있었다.

화웨이 메이트X는 하드코트를 입힌 CPI 필름을 두 겹 썼다. 모토로라 레이저와 함께 코오롱인더스트리가 CPI를 공급한 것으로 보도됐다.

1년 뒤 흐름이 바뀌었다. 삼성디스플레이는 2020년 2월 갤럭시 Z플립에 약 30마이크로미터 두께의 초박막 강화유리(UTG)를 커버윈도로 상용화했다고 밝혔다. 이 무렵 UTG 원판은 쇼트가 대고 도우인시스가 가공했다.

시장조사업체 트렌드포스는 2023년 말 최신 폴더블 모델에서 UTG 점유율이 90%를 넘었다고 집계했다. SK아이이테크놀로지는 2024년 2월 플렉서블 커버윈도 사업을 접는다고 밝혔고, 2025년 그 사업부를 중국 기업에 팔기로 했다.

CPI가 사라진 것은 아니다. 코오롱 CPI는 2021년 샤오미의 첫 폴더블 폰 커버윈도와 레노버의 폴더블 PC에 들어갔다. 트렌드포스도 중형 폴더블에서는 CPI가 계속 쓰일 것으로 봤다.

UTG 위에 CPI 보호필름을 덧씌우는 구조가 검토된다는 보도도 2026년에 나왔다. 코오롱은 그해 1월 특정 고객사 제품 공급은 결정된 바 없다고 밝혔다.

유리로 바뀐 뒤 하드코트가 놓일 자리는 유리 위로 옮겨 갔다. 삼성디스플레이와 코닝은 UTG 위에 하드코트를 올린 구조를 각각 출원했다. 제품 적층은 삼성전자 안내로 확인된다.

갤럭시 Z 화면은 위에서부터 보호필름, 보호층(protective layer), UTG로 쌓인다.

보호필름은 소모품이라 서비스센터에서 교체한다. UTG 바로 위의 보호층은 세경하이테크가 2019년부터 삼성디스플레이에 공급해 왔다고 기업분석 보고서와 업계 보도가 전한다. 그 재질과 두께는 공개되지 않았다.

공개된 자료로 확인되는 공급망을 층별로 모으면 이렇다.

재질과 두께는 어느 층도 공개되지 않았다. 그림 9가 층의 이름만 적고 두께를 그리지 않은 이유다.

UTG 위 하드코트의 일은 필름 위와 반대다. 앞 편에서 본 대로 유리보다 무른 층이 펜 끝 같은 충격을 받아 낸다. 그래서 단단함에 상한이 걸린다.

삼성디스플레이는 30~70마이크로미터 UTG 위 하드코트의 압입 경도를 15~40HV로 잡았다. 경도가 올라가면 접을 때 창이 깨질 수 있다는 것이 그 이유다. 필름 위에서는 경도를 빌려주던 층이, 유리 위에서는 경도를 아껴야 하는 층이 됐다.

삼성디스플레이는 같은 출원에서 하드코트 두께를 3~30마이크로미터, 바람직하게는 6~14마이크로미터로 두었다. 충격을 받는 일은 하드코트 혼자 맡지 않는다. 10~60마이크로미터와 5~50마이크로미터 충격흡수층 두 겹을 따로 둔다.

맨 위 층을 함부로 다룰 수 없다는 사실은 첫 제품 때 드러났다. 2019년 4월 갤럭시 폴드 화면이 며칠 만에 고장 났다는 보도가 이어졌고, 삼성은 보호층을 떼거나 화면에 접착제를 붙이면 손상될 수 있다고 경고했다.

2부를 닫으며: 표면 거칠기 한 축

2부 「표면처리기술」은 커버윈도 맨 바깥 면에 올라가는 코팅을 일곱 편에 걸쳐 봤다. 지문방지(AF), 눈부심방지(AG), 반사방지·저반사(AR·LR), 모스아이, 대전방지(AS), 하드코트, 그리고 이 편의 플렉서블 하드코트다.

일곱 편을 한 줄씩 다시 적으면 이렇다.

• AF는 지문이 묻는 것을 막지 않고 퍼지지 못하게 한다. 물 접촉각이 거의 같은 두 제품의 내마모가 네 배 갈렸다.
• AG는 반사를 줄이지 않고 흩는다. 겉면 헤이즈를 막 안 헤이즈로 나눈 값이 0.5 아래면 간섭무늬, 2 위면 스파클이 온다.
• AR·LR은 굴절률 1.23이라는 빈자리를 중공 실리카의 구멍이나 여러 층의 간섭으로 채운다.
• 모스아이는 그 빈자리를 형상으로 채우지만, 나노 틈이 지문 기름을 가둬 손이 닿지 않는 자리로 옮겨 갔다.
• AS는 화면 위가 아니라 떼어 버리는 보호필름 위에 있다.
• HC는 같은 이름으로 바탕마다 다른 일을 하고, 플렉서블 HC는 단단함과 접힘 사이에서 두께를 고른다.

이 코팅들을 한 축에 세우면 표면 거칠기가 된다. 모두 화면 맨 바깥 면을 다루고, 그 면을 얼마나 매끈하게 두느냐에 따라 맡는 일이 갈린다.

가장 매끈한 쪽에 투명 하드코트가 있다. 플렉서블 디스플레이용으로 보고된 한 코팅은 원자힘현미경으로 잰 Ra가 0.99나노미터였다. AR은 수십~백 나노미터 층의 간섭으로 반사를 지우니 면이 매끈해야 하고, AF는 10~15나노미터 막으로 그 위에 앉는다.

몇 나노미터대에는 뉴턴링 방지층이 있다. 다이셀은 Ra 3~15나노미터로 두 막 사이의 간섭무늬를 흐리면서 선명도를 92% 이상 지키는 필름을 청구했다. 실시예는 6나노미터와 9나노미터였다.

수십~수백 나노미터대에는 AG가 있다. 하드코트 안에 입자를 넣은 AG 필름은 Ra 50~150나노미터, 산으로 식각한 AG 유리는 80~580나노미터였다. 거칠수록 비친 상은 흐려지고 화면의 선명도도 떨어진다.

모스아이는 같은 수백 나노미터대에 있지만 성격이 다르다. 높이 약 300나노미터 돌기를 빛의 파장보다 촘촘하게 세워, 요철을 빛을 흩는 데가 아니라 굴절률을 서서히 바꾸는 데 쓴다. 다만 그 틈이 기름을 가두는 탓에 사람이 만지는 화면 바깥보다는 손이 닿지 않는 자리로 갔다.

AS만 이 축 밖에 있다. 대전방지는 화면 위가 아니라 공정 중에 떼어 내는 보호필름 위에 있기 때문이다.

하드코트는 이 축의 바닥에 깔린다. 매끈하게 두면 AR과 AF의 바탕이 되고, 입자를 품으면 그 자체가 AG가 된다. 폴더블 위에서는 이 편에서 본 대로 단단함과 접힘 사이에서 두께를 고르는 층이 된다.

2부는 여기서 닫는다. 다음 부는 표면 바로 아래, 커버윈도로 내려간다.