국내 연구진이 휠 수 있는 유연한 디스플레이에 적용이 가능한 투명전극 개발에 성공했다. 이에 따라 향후 플렉시블 터치 패널 등에 널리 적용될 전망이다. 27일 ETRI(한국전자통신연구원)는 면저항‧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 탄소원자가 벌집모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노소재로 두께가 0.3nm(나노) 크기다. 사람 머리카락 두께의 100만분의 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.

이에 따라 대체재로 급부상 중인 것이 그래핀, 메탈 메시(Metal mesh), 나노와이어(Nano wire) 등이 있다. ETRI는 지난 7일 나노와이어에 이어 그래핀을 투명전극으로 적용하는데 성공했다. 그동안 그래핀은 원자 한 층의 두께로 인해 투과도면에서는 우수한 특성을 보여주었지만 면저항을 낮추는데는 어려움이 있어 왔다. 면저항이 높으면 전기 전도도가 좋지 않아 디스플레이를 터치 할 때 정확한 위치에 잘 눌러지지 않으며 높은 전압이 요구되는 단점이 있다.

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. 이번 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 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(표면저항) 이하, 투과도가 80~96%였는데 이번 ETRI 연구진이 개발한 ‘다층 그래핀-단일층 그래핀 패턴’의 경우 85~97.6%의 범위에서 투과도 제어가 가능했으며 면저항은 150Ωsq 까지 낮출 수 있다고 밝혔다.

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.

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 이번 기술을 바탕으로 현재 폭 약 10cm(4인치)에서 향후 35cm까지 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.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com