국내 연구진이 ‘그래핀 복합체’를 이용해 유연하면서도 늘어나는 디스플레이 장치 개발에 필요한 고성능 투명전극 제조 기술 개발에 성공하였다.
울산과기대 박장웅 교수 연구팀(박장웅 교수(36세), 이미선 박사과정(26세), 외)이 개발을 주도한 이 기술은 그래핀과 은 나노와이어의 복합체 필름 제조 기술로서, 소프트 컨텍트 렌즈 표면에 투명 디스플레이 화소를 구현하였다. 복합체의 높은 신축성 덕분에 컨텍트 렌즈에서 디스플레이가 부서지지 않았고, 토끼를 대상으로 한 실험에서 5시간 착용한 후에도 디스플레이 화소가 여전히 구동하였다.
영화 ‘미션 임파서블’에 나오는 것처럼, 콘텍트 렌즈에 부착된 카메라, 스캐너 등의 미래형 디스플레이의 상용화가 가까워 질 것으로 기대된다.
이번 성과는 한국연구재단(이사장 이승종)의 일반연구자지원사업(신진연구), 미래창조과학부의 산업원천기술개발사업(주관: KAIST 배병수 교수) 및 ETRI 지원사업(LASA디스플레이 과제, 단장: 추혜용 박사) 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노분야 세계 최고 권위지인 ‘나노레터스’에 온라인 속보(5월 31일자)로 게재되었다. 울산과기대 외에도, 경희대, 삼성테크윈, 삼성디스플레이 등의 연구팀들이 본 연구에 참여하였다. (논문명 : High-Performance, Transparent, and Stretchable Electrodes Using Graphene-Metal Nanowire Hybrid Structures)
이 기술은 그래핀의 결함 부위들을 은 나노와이어가 국부적으로 연결하는 구조로, 결함이 있더라도 전자들이 은 나노와이어를 통해 쉽게 이동할 수 있어, 면저항이 매우 낮아진다. 또한 기존의 디스플레이 공정을 그대로 복합체에 적용하여, 전극 패턴들을 쉽게 만들 수 있다는 장점이 있다.
박 교수 연구팀이 개발한 기술은 기존의 그래핀 투명전극보다 면저항값이 약 30배 가량 낮았고, 공기중에 장시간 노출해도 산화되지 않는 고성능을 보였다. 또한 유연성과 신축성이 매우 우수하여, 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 저하되지 않았다. 박장웅 교수팀은 이러한 특성을 이용하여, 눈에 착용 가능한 소프트 콘텍트렌즈 표면에 투명 디스플레이 화소를 구현하였다.
디스플레이와 같은 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은, 국가간 외교분쟁 원인이 될 정도로 중요한 전략적 자원이다. 특히, 인듐은 투명하면서도 전기가 잘 통해 스마트폰, TV 등의 투명전극 필름의 원재료로 널리 사용되고 있지만, 광석 1톤당 0.05g 밖에 존재하지 않을 정도로 매우 희귀하다. 또한, 인듐기반 투명전극(ITO)은 구부리거나 잡아당기면 쉽게 부서지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근 그래핀 투명전극에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되어 왔다. 아주 얇은 단일 탄소층인 그래핀은, 인듐에 비해 저가이고 매우 유연하여 구부릴 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 그래핀은 투명전극의 가장 중요한 특성인 면저항값을 낮추는데 한계가 있어 실제 투명전극에 적용되기에는 어려움이 있기 때문에, 나노와이어와의 결합을 통하여 이러한 한계점을 극복하게 된 것이다.
