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그래핀으로 휘는 디스플레이 투명전극 개발
면저항·투과도 동시 제어 성공
(위) 다층-단일층 패턴 그래핀 시트 합성 모식도. (아래 왼쪽) 플렉서블 대면적 그래핀 필름, (아래 오른쪽) 다층 그래핀-단일층 그래핀 필름의 광투과도 제어 결과
국내 연구진이 그래핀으로 휠 수 있는 유연한 디스플레이에 적용이 가능한 투명전극 개발에 성공했다. 이에 따라 향후 플렉시블 터치 패널 등에 널리 적용될 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 28일 면저항과 투과도 특성을 동시에 제어 가능한 4인치 크기의 대면적 고품질의 그래핀 합성기술을 개발, 사이언티픽 리포트(Scientific Report)에 지난 15일자로 게재됐다고 밝혔다.

연필심의 재료인 흑연 한 개 층을 말하는 ‘그래핀’은 탄소원자들이 벌집모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노소재로 두께가 0.3nm(나노) 크기다. 사람 머리카락 두께의 1백만분의 1 수준으로 전기가 잘 전달되는 전도성, 높은 투과도, 우수한 유연성 등 특성을 가지고 있다.

현재 휘어지는 디스플레이에는 주로 인듐 주석 산화물(ITO)이 많이 쓰인다. 하지만 ITO는 소재의 한계성과 휠 때 깨짐현상 등으로 문제점이 있어 대체재로 그래핀, 메탈메쉬, 나노와이어가 부상중이다.

원자 한층의 두께인 그래핀은 투과도면에서는 높은 특성을 보여주었지만 면저항을 낮추는데는 어려움이 있었다. 면저항이 높으면 전기 전도도가 좋지 않아 디스플레이를 터치 할 때 정확한 위치에 잘 눌러지지 않으며, 높은 전압이 요구되는 단점이 있어왔다.

기존에는 그래핀 촉매로 구리(Cu)를 이용했는데 ETRI 연구진은 니켈(Ni)을 같이 사용해 구리-니켈 합금 메탈 촉매를 이용해 그래핀을 합성했다.

ETRI는 구리-니켈 합금 메탈 촉매의 비율을 제어해 목적에 맞는 면저항·투과도 특성을 가지는 대면적 고품질 그래핀을 합성하는데 성공했다며 기존 단일층 그래핀의 반복 적층 방법보다 공정상 효율과 수율의 장점을 가진다고 밝혔다.

연구진은 최적화된 구리-니켈 합금 비율에서 합성된 단일층 그래핀이면서 그 원자구조에 결함이 없는 약 90% 이상의 고품질 그래핀임을 투과전자현미경(TEM), 라만 등 다양한 분석을 통해 실험적으로 확인했다고 밝혔다.

기존 상용 ITO 글라스의 경우 면저항이 100Ω/sq 이하, 투과도가 80~96%였는데 이번 ETRI 연구진이 개발한 ‘다층 그래핀-단일층 그래핀 패턴’의 경우, 85~97.6%의 범위에서 투과도 제어가 가능하였고, 면저항은 150Ω/sq 까지 낮출 수 있다고 밝혔다. 본 기술은 상용화가 가능한 수준이다.

따라서 본 기술이 투명전극으로 활용되어 패터닝을 통해 증착하면 바로 원하는 투과도와 면저항을 자유롭게 만들 수 있게 된다. 최근 각광받는 투명하고 유연한 웨어러블 디바이스에 응용 가능한 투명전극 시트를 원하는 특성, 크기, 디자인으로 적용 가능한 최신 나노 소재 기술이다.

향후 본 기술은 휠 수 있는 디스플레이나 전극이 사용되는 태양전지, 각종 단말기기 등에 널리 쓰일 수 있게 될 전망이다.

본 기술 연구책임자인 ETRI 최춘기 박사는 “현재 수준은 투과도는 좋지만 면저항이 커서 화학물질이나 금속입자를 넣어 결함을 없애고 면저항을 낮추는 연구가 추가적으로 필요하다. 저가의 터치패널 제조사와 기술이전을 협의중에 있는데 빠른 상용화를 위해 노력하겠다”고 말했다.

ETRI는 본 기술을 바탕으로 현재 폭 약 10cm(4인치)에서 향후 35cm 까지 둘둘 말 수 있는 롤 투 롤(Roll to Roll) 합성 공정 기반의 디스플레이용 투명전극 과제를 중점 연구할 계획이며 이를 통해 패드형태의 단말기를 휴대용으로 둘둘 말아 들고 다닐 수 있는 유연 투명전극을 연구할 계획이라고 밝혔다.

한편, 이번 논문의 공동 제1저자는 ETRI 소재부품창의연구실 최진식 박사, 최홍규 박사이고 교신저자는 최춘기 박사다. 아울러 논문에는 울산과기대(UNIST) 정후영 교수 등이 연구에 참여했다.

본 연구는 미래창조과학부 정부출연금사업인 ‘ETRI 창의연구실사업’ 지원으로 개발되었다.
ETRI는 이번 연구결과를 향후 그래핀 기반 터치 스크린에 적용으로 확장하면서 투명전극 소재 및 터치센서 관련업체에 기술이전 한다는 계획이다.

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