국내 연구진이 그래핀을 이용한 휘는 디스플레이 투명전극 개발에 성공함에 따라 유연한 투명전극 필름 상용화 길이 활짝 열렸다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 면저항․투과도 특성을 동시에 제어 가능한 4인치 크기의 대면적 고품질의 그래핀 합성기술을 개발했다고 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 수준이다. 전기가 잘 전달되는 전도성, 높은 투과도, 우수한 유연성 등 특성이 있다.

현재 휘어지는 디스플레이에는 주로 인듐 주석 산화물(ITO)이 많이 쓰인다. 하지만 ITO는 소재의 한계성과 휠 때 깨짐 현상 등으로 문제점이 있다. 이의 대체재로 급부상 중인 것이 그래핀, 메탈 메쉬(Metal mesh), 나노와이어(Nano wire) 등이 있다. ETRI는 지난 4월7일, 나노와이어에 이어 그래핀을 투명전극으로 적용하는 데 성공했다.

그동안 그래핀은 원자 한 층의 두께로 인해 투과도면에서는 우수한 특성을 보여주었지만 면저항을 낮추는 데는 어려움이 있었다. 면저항이 높으면 전기 전도도가 좋지 않아 디스플레이를 터치할 때 정확한 위치에 잘 눌러지지 않으며, 높은 전압이 요구되는 단점이 있었다.

이에 따라 그동안 그래핀 촉매로 구리(Cu)를 이용해 왔었는데 이런 문제점 해결을 위해 ETRI 연구진은 니켈(Ni)을 같이 사용해 구리-니켈 합금 메탈 촉매를 이용해 그래핀을 합성했다.

ETRI가 성공한 그래핀 합성법은 구리-니켈 합금 메탈 촉매의 비율을 제어해 목적에 맞는 면저항·투과도 특성을 가지는 대면적 고품질 그래핀을 합성하는 기술이다. 기존 단일층 그래핀을 반복적으로 적층하는 방법을 통해 원하는 특성의 다층 그래핀을 형성하는 방법에 비해 공정상의 효율과 수율 면에서 큰 장점을 가지고 있다.

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

기존 상용 ITO 글라스의 경우 면저항이 100Ω/sq 이하, 투과도가 80~96%였는데, 이번 ETRI 연구진이 개발한 다층 그래핀-단일층 그래핀 패턴은 85~97.6%의 범위에서 투과도 제어가 가능하고, 면저항은 150Ωsq까지 낮출 수 있었다. 이 기술은 상용화가 가능한 수준이다.

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

임근난 기자 (fa@hellot.net)