투명전극 전략품목 및 기술개발 동향
원자 두께 터치스크린에 쓰이는
그래핀 기술 확보해야
최근 포춘과 로이터 15일자 기사에서 ‘삼성전자와 애플의 특허전쟁보다 더 큰 전쟁은 플렉시블 디스플레이 전쟁이다.
이 전쟁의 핵심은 원자 두께에 불과한 얇은 터치스크린을 만들 그래핀 기술 확보 여부다“라고 전할 정도로 업계의
큰 관심을 받고 있다. 따라서 구부러지지 않는 ITO를 대체하는 투명전극의 기술개발 동향에 대해
전자부품연구원 양우석 박사가 발표한 내용을 정리했다.
약 60년간 시장을 지배해온 CRT (Cathode-Ray Tube) 기술을 사용한 디스플레이는 급격한 IT 기술의 발전과 더불어 우수한 화질, 대면적 구현 등이 가능한 TFT-LCD(Thin Film Tran-sistor-Liquid Crystal Display) 디스플레이에 그 자리를 빼앗겼다.
이는 디스플레이와 관련된 기술 발전과 더불어 기존의 얇고 가벼운 디스플레이에 만족하지 않고 급격히 변화하고 있다는 것을 뜻한다.
최근에는 고화질 OLED(Organic Light Emitting Diodes) 디스플레이와 더불어 풀 HD(1,920×1,080)의 약 4배 화소 수(가로 : 400 전후, 세로 : 2000 전후)를 갖는 4K UHD(4K Ultra High Definition) 디스플레이가 시장에 나오고 있다.
그렇다면 이러한 고해상도의 디스플레이 기술 이후에 시장을 선도할 수 있는 기술은 무엇일까?
많은 전문가들은 두루마리 형태로 말 수 있고, 기판의 유연성으로 인해 종이처럼 접거나 구부릴 수 있는 플렉시블 디스플레이를 꼽고 있다.
이러한 플렉시블 디스플레이를 구현하기 위해서는 디스플레이가 유연성을 갖기 위한 패널, 모듈, 장비 및 공정 기술 등이 개발돼야 하겠지만, 기본적으로 투명 기판 및 전극의 유연성이 확보돼야 한다.
플렉시블 기판의 소재는 우수한 광학적 특성, 변형 없는 유기용매, 우수한 열안정성, 그리고 산소 및 습기를 효과적으로 차단할 수 있어야 한다.
현재 기판용 필름을 연구·개발하는 주요 업체 중 사우디의 SABIC으로 합병 된 미국의 GE는 고내열성 Polycar-bonate(PC)를 연구하고 있으며, 듀폰-테이진 사는 Polyethylene naph-thalate(PEN), 일본의 스미토모 베이크라이트 사는 Polyether sulfone (PES) 기판을 개발했다.
투명전극의 경우에는 비저항 1×10-3Ω/㎝ 이하, 면저항 103Ω/sq. 이하이면서 전기전도성이 우수하고 가시광선 영역에서 투과율이 80% 이상이어야 하는 등 다음과 같은 특성이 우수해야 한다.
· 투과도
· 전도도
· 내구성
· 유연성
현재 투명전극으로 가장 많이 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)의 경우에는 투명하면서 전기전도도가 높고 생산성이 우수해 사용되고 있지만 희소성 재료인 인듐을 사용해야 한다는 점과 유연성이 낮다는 문제점을 갖고 있다.
따라서 이러한 문제점을 극복하기 위해 실버나노와이어(AgNWs), 금속 메쉬(metal mesh), 전도성 고분자, 탄소 나노튜브 등 투명성과 유연성을 갖는 다양한 전극 후보군들에 대한 연구가 한창이다.
다양한 유연 투명전극 중 실버나노와이어와 금속 메쉬가 가장 활발히 연구되고 있다. 하지만 실버와이어의 경우에 Cambrios 사에서 확보하고 있는 소재 및 공정 원천기술을 회피하기가 쉽지 않아 막대한 로열티를 지불해야 하고, 금속 메쉬의 경우에는 가시광 영역에서 메쉬 패턴이 보이지 않도록 작은 선폭 구현 및 이에 따르는 수율 향상 문제를 풀어야 하는 과제가 있다.
이에 대해 최근 유연 투명전극 소재로써 그래핀(Graphene)이 주목 받고 있으며, 국내 산업계에서는 이를 제품에 응용하고자 활발히 연구하고 있다(그림 1).
그래핀은 순수한 탄소로 이루어져 있는 2차원 구조체로써 전극으로 형성할 경우 탄소 원자 1개의 두께에 불가하며 높은 투과도 확보가 가능하다. 또한 이론적인 전기전도성 및 내구성이 우수하며, 유연성이 뛰어나다는 장점을 갖고 있다.
최근 포춘과 로이터 15일자 기사를 보면 “삼성전자와 애플의 특허전쟁보다 더 큰 전쟁은 플렉시블 디스플레이 전쟁이다. 이 전쟁의 핵심은 원자 두께에 불과한 얇은 터치스크린을 만들 그래핀 기술 확보 여부다”라고 전할 정도로 업계의 큰 관심을 받고 있다. 하지만 실질적으로 기존 유연투명전극과의 경쟁에서 살아남기 위해서는 해결해야 할 문제들도 많다. 이에 대한 대표적인 예로는 합성온도, 복잡한 공정, 합성을 할 경우 그래핀 고유의 저항보다 낮은 면저항 구현 등과 더불어 양산성과 경제성을 갖는 그래핀 제조기술이 아직 확보되지 못했다는 점 등이다.
이를 해결하기 위한 그래핀 양산화 연구 동향을 살펴보면 일본 AIST의 Sumio Iijima 교수팀은 300∼400℃ 저온에서 대면적 그래핀 합성 기술을 개발하고 이를 이용해 저항막 터치 패널을 제작하는 데 성공했으며, 일본의 소니는 2012년에 구리 기판에 직접 전류를 흘려 가열하는 방법을 채용해 길이 : 약 120m, 폭 : 230㎜의 그래핀 시트를 제작했다(그림 2).
국내에서는 삼성 테크윈이 30인치 그래핀을 합성하는 데 성공했으며, R2R 공정과 그래핀 건식 전식 전사법을 사용해 제조된 그래핀 투명전극을 터치스크린에 적용함으로써 실현 가능성을 보였다.
그래핀이 유연 투명전극으로써 플렉시블 디스플레이에 활용되기까지는 많은 해결과제가 남아있다. 하지만 그래핀 합성 장비 및 공정을 개발하기 위해 산학연이 활발히 연구를 수행하는 등 많은 노력을 하고 있다.
이러한 노력들이 성공적으로 진행된다면 그래핀 유연투명전극이 적용된 제품을 곧 만나볼 수 있을 것이라고 생각한다.
임재덕 기자(smted@hellot.net)
