모바일기기의 생활화로 플렉서블 일렉트로닉스가 향후 각광받는 기술로 대두되면서, 신축성이 있는(stretchable) 투명전극 소재의 발굴이 시급해졌다. 

기존의 ITO를 기반으로 한 투명전극은 늘리거나 구부렸을 때 쉽게 부서지고 전기전도성을 잃게 되는 문제가 있었다. 이에 반해 그래핀은 신축성이 매우 높은 물질이기 때문에 기존의 ITO보다 탁월한 효과를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

현재 투명전극으로 가장 많이 사용되는 ITO는 인듐을 주원료로 하고 있어, 희토류 원료의 대외 의존성이 지속적으로 높아지고 있다는 사실은 주목할 만하다. 

 

원료비용 증가의 문제 외에도 ITO는 공정의 복잡함과 패턴 제작상의 어려움, 산과 염기에 취약함, 깨기지 쉬운 물성, 낮은 내마모성 등의 단점을 지니고 있다.

이에 따라 그래핀으로 투명전극을 제작해 미래에 고갈될 수 있는 희토류 자원을 대체할 수 있는 소재를 현실화함으로써, 지구환경 보존에 일조하는 기술 개발이 많은 곳에서 진행 중이다. PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)는 폴리머 액정 디스플레이로, 게임기 또는 투명디스플레이 후면에 배경을 차단·투과·확산시키는 조절장치다. 

이러한 기기들의 고급화로 고품질의 투명전극이 요구되고 있다.

그래핀을 기반으로 하는 투명전극은 플렉서블 디스플레이 또는 플렉서블 모바일 기기에 적합한 유연성을 갖추고 있다. 

최근 에너지 절약에 대한 의식 고취와 각국 정부의 그린 빌딩 정책 추진, 중국·인도·라틴아메리카 국가의 경제 성장 등으로 인해 오랜 기간 틈새시장으로 여겨져 온 스마트 윈도우 시장이 지속적으로 성장하고 있다. 

화석연료의 고갈과 함께 에너지가 가장 중요한 연구 분야로 대두되고 있는 현 시점에, 건물의 냉난방 관련 에너지 손실을 줄일 수 있는 건물용 스마트 윈도우에 대한 수요가 급증하고 있다. 

건물의 유리창을 통한 냉난방 에너지 손실은 30% 정도에 해당하며 이를 최소화 할 수 있는 저가의 대면적·대용량 스마트 윈도우가 필요하지만, ITO의 원료단가가 높아서 보급화되지 못하고 있는 실정이다.

그래핀은 이와 같은 ITO의 문제점과 자원의 대외의존성을 극복하기 위해 가장 기대되는 투명전극 물질이라고 할 수 있다. 그래핀의 주요 특성을 살펴보면 다음과 같다.

• ‌그래핀은 넓은 대역의 빛 투과 특성을 보여주기 때문에 고품질 투명 디스플레이, 스마트 윈도우에 적합한 소재이다.

• ‌그래핀은 탄소의 강한 결정 구조를 갖추고 있어 화학적으로 매우 안정된 물질이며, 기계적으로는 질기고 잘 휘어지면서도 찢어지지 않는 물성을 갖고 있다.

• ‌산화 그래핀을 환원한 rGO(reduced Graphene Oxide) 그래핀을 이용하면 저렴한 비용으로 투명 전극을 얻을 수 있다.

▲ 그림 1. 플렉서블 디스플레이에 적용되는 그래핀 투명전극

PDLC 기술 국내 현황

삼성전자는 CES 2012에서 투명 스마트 윈도우를 공개했다. 삼성은 투명 LCD 기술을 채용해 사용자가 밖을 보면서 투명 터치스크린으로 인터넷을 사용할 수 있게 하였다.

국내에서는 삼성전자, 시노펙스, 키오스크코리아, 아이디 등의 기업과 전자통신연구소, 전자부품연구소 등의 연구소에서 투명 디스플레이와 관련 연구 개발이 진행 중이다. 

또한 스마트 윈도우와 관련해서는  2000년대 초에 한국유리사에서 적외선은 차단하고 가시광선은 투과하는 적외선 반사유리를 개발했고, 최근 SPDI에서 광편광입자를 이용해 구현하는 데 성공했다.

에너지절감형 유리인 로이(LOW-E)유리는 2010년 기준 유리창 시장에서 10% 미만의 점유율을 보이고 있지만, 꾸준한 증가세에 있다. KCC와 한국유리공업은 판유리를 제작해 가공하는 과정을 거쳐 로이유리를 생산하고 있다.

▲ 그림 2. PDLC 활용 분야

▲ 그림 3. PDLC 동작 원리

국내 투명전극 기술

탑나노시스는 탄소나노튜브를 기본 소재로, 독자적인 나노분산기술과 코팅기술을 결합한 투명 전극 필름을 출시하였다. 

또한 최근 서울대에서 스핀 오프된 벤처회사 그래핀스퀘어는 CVD( Chemical Vapor Deposition)로 성장된 그래핀을 PET 필름 위에 전사시켜 제품으로 출시했다. 카탈로그에서 가장 큰 대면적 제품은 30인치로 적정 가격이 책정되지 못할 정도로 고가이기 때문에, 아직까지는 상용화가 요원할 것으로 보인다.

성균관대와 삼성전자는 그래핀 투명전극을 이용한 투명디스플레이와 터치패널을 개발하고자 일찌감치 연구 개발을 시작했다. 

특히, CVD 성장 방식과 rGO 방식을 모두 병행해 연구를 수행하고 있다. 성균관대는 화학적 방법으로 환원된 그래핀의 전기전도도를 향상시키는 기술을 개발했고, rGO의 전기전도도가 환원제의 첨가에 따라서 달라지는 것을 확인했다.

세종대 그래핀 연구소는 교육부의 중점연구소사업 지원을 받아 2010년도부터 국내 그래핀 연구개발 관련 전문가 그룹을 형성했으며, 10명의 전담 교수와 7명의 박사급 연구원으로 그래핀의 원천기술을 개발하고 응용 연구를 병행하고 있다.

▲ 그림 4. 투명전극 활용 물질의 파장에 따른 빛 그래프

▲ 그림 5. 면저율 그래프

PDLC 기술 해외 현황

국외에서는 PDLC의 성능을 개선하고자 많은 연구 그룹에서 다양한 소재를 활용해 개발을 진행하고 있다. 

주로 연구 개발되는 폴리머 물질은 Poly(Methyl Methacrylate-co-butyl Acrylate), Poly(Methyl Methacrylate), NOA 65, Polysiloxane, Poly(Dimethyl Siloxane), Cured Poly(Dimethyl Siloxane) 등으로 다양하다. PDLC 필름을 구현하기 위해서 사용되는 기술도 Microemulsion, Polymerization- Induced Phase Separation, Solvent-Induced Phase Separation, Thermally Induced Phase separation 등으로 다양하다.

특히 최근에는 PDLC보다 더 높은 기공도와 낮은 유전율을 갖는 실리카젤을 매트릭스로 하는 Gel-Glass Dispersed Liquid Crystals(GDLC)가 주목을 받고 있다. 

최근 중국에서는 유·무기 혼합 형태의 GDLC 유리를 졸-겔법으로 합성하는 기술이 논문으로 발표되었다. 일반적으로 사용되는 네마틱 액정 대신 콜레스테릭(Cholesteric) 액정을 사용해, OFF 시 반사도가 높고 ON 시 투과도가 높은 디스플레이 기술을 스마트윈도우에 적용하고자 하는 노력들을 기울이고 있다(Kent state Univ).

또한 스마트 윈도우를 구현할 수 있는 Thermochromics, Photochromics, PDLC, SPD 등의 최신 기술들이 활용되고 있으며, 개조용 윈도우 필름(Retrofit Window Films)과 로이유리 시장이 활성화되고 있다. 

일본의 판초자는 액정을 이용해 스마트 윈도우를 개발하였고, 미국의 젠텍스는 전자 크롬(EC) 방식으로 스마트 윈도우를 개발했다. EC 방식은 구동 전압이 낮고 투명·차단 비율이 높아 고품질 스마트 윈도우에 적합하나, On·Off 변환이 다소 느려 디스플레이 또는 수송용으로는 적용이 불가하다.

시장조사 업체 Pike Research에 따르면, 스마트 유리 생산이 2020년에 지금의 8배인 7억 불 수준이 될 것으로 전망된다. 이에 따라 최근 미국 Research Frontiers Inc와 영국의 Prodisplay 등에서 고 대비 투과율의 스마트 유리제품 생산 관련 홍보를 진행하고 있다.

해외 투명전극 기술

ITO를 대체할 수 있는 투명전극을 개발하고자 전 세계적으로 많은 기업과 연구소에서 활발한 연구가 수행되고 있으며, 그 중에서도 그래핀에 대한 기대가 최고조에 달하고 있다. 

ITO의 대체 물질로 최근 10년 동안 ZnO/Ag/ZnO, TiO2/Ag/TiO2, SWNT 등이 연구돼 왔으나, 그래핀은 이들보다 높은 빛 투과도와 전기전도도를 지니고 있다.

그래핀에 대한 연구는 2005년 이후 미국의 콜롬비아대학교와 영국 맨체스터대학을 중심으로 폭발적인 증가를 보였고, 최근에는 CVD 방식으로 성장한 그래핀을 유리창에 전사해 디스플레이 또는 스마트 윈도우에 적용하고자 하는 노력들이 나타났다.

지금까지 대면적 그래핀 투명전극은 R&D 수준의 실험용으로 제작되고 있으며, 최근 몇몇 업체에서 제품으로 출시된 바 있지만 지나치게 고가라는 문제가 있다. 이와 관련, 대면적 그래핀의 안정화된 생산을 위한 제조 기술 아이디어가 꾸준히 연구되고 있으나 아직까지 가시적인 성과를 거두지는 못하고 있는 실정이다. 

박종천  객원전문기자  레이딕스텍 부사장