ETRI, 휘는 디스플레이 적용 가능한 그래핀 합성 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 (ETRI 제공) 

아주경제 한준호 기자 = 국내 연구진이 휠 수 있는 유연한 디스플레이에 적용이 가능한 투명전극 개발에 성공해 향후 플렉시블(Flexible) 터치 패널 등에 널리 적용될 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원)는 27일 면저항·투과도 특성을 동시에 제어 가능한 4인치 크기의 대면적 고품질의 그래핀 합성기술을 개발해 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 갖고 있다.

현재 휘어지는 디스플레이에는 주로 인듐 주석 산화물(ITO)이 많이 쓰이지만, ITO는 소재의 한계성과 휠 때 깨짐현상 등으로 문제점이 많았다. 이를 대체하기 위해 급부상 중인 것이 바로 그래핀, 메탈 메쉬(Metal mesh), 나노와이어(Nano wire) 등이다. ETRI는 지난 7일 나노와이어에 이어 그래핀을 투명전극으로 적용하는데 성공했다.

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그동안 그래핀은 원자 한 층의 두께로 인해 투과도면에서는 우수한 특성을 보여줬지만 면저항을 낮추는데는 어려움이 있어 왔다. 면저항이 높으면 전기 전도도가 좋지 않아 디스플레이를 터치 할 때 정확한 위치에 잘 눌러지지 않으며, 높은 전압이 요구되는 단점이 있었다.

이에 따라 그동안 그래핀 촉매로 구리(Cu)를 이용해 왔으며, 이런 문제를 해결하기 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 갖는 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 갖고 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.

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

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

ETRI는 이 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.

이번 논문의 공동 제1저자는 최진식 ETRI 소재부품창의연구실 박사와 최홍규 박사이며, 교신저자는 최춘기 박사다. 아울러 논문에는 정후영 울산과기대(UNIST) 교수 등이 연구에 참여했으며, 이번 연구는 미래창조과학부 정부출연금사업인 'ETRI 창의연구실사업' 지원으로 이뤄졌다.

ETRI는 이번 연구결과를 향후 그래핀 기반 터치 스크린 적용까지 확장하면서 투명전극 소재 및 터치센서 관련업체에 기술이전을 할 계획이다. ETRI는 본 사업을 통해 지난 2011년부터 약 5년간의 연구를 통해 SCI논문 20여편, 특허 국내·외 30여건을 출원,등록했다.