국내 연구진이 휠 수 있는 유연한 디스플레이에 적용이 가능한 투명전극 개발에 성공했다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 면저항·투과도 특성을 동시에 제어 가능한 4인치 크기의 대면적 고품질 그래핀 합성기술을 개발했다고 27일 밝혔다.
연구결과는 사이언티픽 리포트(Scientific Report, 4월 15일자)에 게재됐다.
연필심 재료인 흑연 한 개 층을 말하는`그래핀`은 탄소원자들이 벌집모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노소재다. 두께가 0.3㎚ 크기다. 사람 머리카락 두께의 1백만분의 1 수준이다. 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 있다.
이의 대체재로 급부상 중인 것이 그래핀, 메탈 메쉬(Metal mesh), 나노와이어(Nano wire) 등이 있다.
그러나 그래핀은 원자 한 층의 두께로 인해 투과도면에서는 우수한 특성을 보여주지만 면저항을 낮추는데는 어려움이 많다. 면저항이 높으면 전기 전도도가 좋지 않아 디스플레이를 터치 할 때 정확한 위치에 잘 눌러지지 않으며, 높은 전압이 요구되기 때문이다.
연구진은 이를 해결하기 위해 니켈(Ni)을 구리와 섞은 구리-니켈 합금 메탈 촉매를 이용해 그래핀을 합성하는데 성공했다.
이 그래핀 합성법은 구리-니켈 합금 메탈 촉매 비율을 제어해 목적에 맞는 면저항·투과도 특성을 가지는 대면적 고품질 그래핀을 합성하는 기술이다. 기존 단일층 그래핀을 반복적으로 적층하는 방법에 비해 공정상 효율과 수율 면에서 큰 장점을 가지고 있다.
연구진은 최적화된 구리-니켈 합금 비율에서 합성된 단일층 그래핀이면서 그 원자구조에 결함이 없는 90% 이상의 고품질 그래핀임을 투과전자현미경(TEM), 라만 등 다양한 분석을 통해 실험적으로 확인했다.
기존 상용 ITO 글라스는 면저항이 100Ω/sq 이하, 투과도가 80~96%였는데 이번 ETRI 연구진이 개발한 `다층 그래핀-단일층 그래핀 패턴`은 85~97.6%의 범위에서 투과도 제어가 가능하다. 면저항은 150Ω/sq 까지 낮출 수 있다고 밝혔다.
휠 수 있는 디스플레이나 전극이 사용되는 태양전지, 각종 단말기기 등에 활용이 가능하다.
최춘기 박사는 “현재 수준은 투과도는 좋지만 면저항이 커서 화학물질이나 금속입자를 넣어 결함을 없애고 면저항을 낮추는 연구가 추가로 필요하다”며 “저가의 터치패널 제조사와 기술이전을 협의중”이라고 말했다.
한편 이번 연구결과는 제1저자가 최진식 박사와 최홍규 박사다. 교신저자는 최춘기 박사가 올라가 있다. 정후영 울산과기대(UNIST) 교수 등도 연구에 참여했다.
미래창조과학부 정부출연금사업인 `ETRI 창의연구실사업` 지원을 받았다.
박희범 과학기술 전문기자 hbpark@etnews.com