유기발광 다이오드(OLEDs)와 액정표시장치(LCDs), 유기태양전지에 이용되는 투명전극은 높은 투명도와 전기전도성, 환경안정성이라는 장점 때문에 널리 활용되고 있다. 하지만 투명전극의 주 물질인 인듐의 매장량 한계와 급격한 가격 상승으로 이를 대체할 물질을 발굴하는 것은 매우 시급하다.

대체 물질을 만들기 위해 금속산화물, 카본 나노튜브, 전도성 고분자와 그래핀 등을 중심으로 연구가 진행됐지만 아직까지는 답보상태였다. 이런 가운데 국내 연구진이 비싼 투명전극을 대체할 격자무늬 투명전극의 새로운 제조기술을 개발해 주목을 받고 있다.

정건영 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수팀이 값싼 용액 공정으로 대면적을 연속적으로 제작할 수 있는 물질을 개발한 것이다. 이는 앞으로 휴대폰과 노트북, TV 등 투명디스플레이가 필요한 곳에 다양하게 응용될 수 있어 투명 디스플레이 산업 발전에 크게 기여할 것으로 평가받고 있다.

품질력·경제력 모두 갖춰

투명전극은 IT 시대를 살고 있는 우리에게 매우 유용한 물질이다. 특히 디지털 기기의 사용빈도가 높은 현대에는 필수품이라고 할 수 있는데, 그도 그런 것이 TV와 LCD 모니터, 휴대폰 등에 이용되기 때문이다.

“TV, LCD 모니터, 휴대폰 등에서 우리가 보는 화면은 주로 디스플레이 소자에 의해 영상이 표시됩니다. 영상이 표시되기 위해서는 빛이 투과해야 하기 때문에 디스플레이가 투명해야겠죠. 디스플레이 소자가 작동하기 위해서는 전기도 통해야 합니다. 이를 가능하게 하는 것이 ‘투명전극’인데 말 그대로 유리처럼 투명하고 전기가 흐를 수 있는 전극을 의미합니다. 지금까지는 인-주석 산화물(Indium-Tin Oxide)인 ITO가 주로 사용되고 있었습니다.”

하지만 앞서 언급했듯, 인듐 매장량은 한계가 있기 때문에 새로운 물질을 개발하는 것이 필요했다.

“ITO 전극을 만들 때 사용되는 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않는 희귀금속이기 때문에 공정단가가 높습니다. 또한 우리나라에는 매장량이 없고 대부분 중국에 의존하는 현실이어서 ITO를 대체하기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있죠. 예를 들면 요즘 각광받고 있는 그래핀 물질과 전기가 흐르는 고분자 등이 주로 연구되고 있는데 현재까지 ITO를 대체할 만한 전도도 및 투명도를 보여주지 못하고 있습니다.”

정 교수팀이 개발한 격자무늬 투명전극은 이름 그대로 격자무늬를 이루며 놓인 얇은 금속선을 따라 전기가 흐르고, 이들 격자 간 사이 공간으로 빛이 투과할 수 있도록 한 투명전극이다.

“격자무늬 구조의 전극은 전기전도도가 높고 투명도 역시 동시에 구현할 수 있어 ITO를 대체할 수 있는 물질로 주목받고 있습니다. 투명전극을 제작하기 위해 기판 위에 액체 상태의 고분자용액을 코팅하고 격자무늬가 새겨진 틀과 고분자 필름을 서로 접촉 시킨 후 약한 열과 압력을 주었습니다. 이러한 공정을 통해 틀의 반대 모양이 고분자에 새겨지게 되는데, 결과적으로 고분자 모양은 격자무늬와 반대인 모양이 고분자에 새겨지게 되죠.

다음으로 금속 나노입자 용액을 고분자 틀 위에 떨어트린 후 건조시켜줍니다. 고분자를 녹일 수 있는 용액에 기판을 넣으면 고분자가 녹으면서 고분자 위에 있던 금속 나노입자들이 함께 떨어져 나가며 기판에 달라붙어 있던 금속 나노입자는 그대로 남아 있게 됩니다. 이러한 과정을 통하여 격자무늬 투명전극이 만들어지게 되는 것입니다.”

이렇게 만들어진 격자무늬 투명전극은 투명도와 전기전도도 모두 뛰어난 성능을 보여 새로운 디스플레이 시대를 예견할 수 있게 했다. 무엇보다 정 교수팀의 연구가 주목을 받는 이유는 품질력을 더욱 돋보이게 하는 경제력 때문이다.

“개발한 공정은 값비싼 고진공 금속 증착장비를 사용하지 않고 금속 나노입자 용액을 이용해 제작했기 때문에 공정 단가를 현저히 낮출 수 있었습니다. 고진공 금속 증착 장비는 금속을 증착하기 전에 기판이 들어간 상태에서 고진공으로 만들어주어야 하는데 시간이 오래 걸리는 단점이 있죠. 따라서 연속 공정이 불가능하다는 단점이 있었습니다.”

반면 개발한 공정은 롤 형태의 스탬프를 이용한 프린팅 공정과 스프레이 코팅(Spray coating), 닥터 블레이드(Doctor blade) 박막 코팅 용액공정을 이용하면 연속공정을 가능케 하기 때문에 간단하면서도 저렴한 비용으로 대면적 금속 격자무늬의 투명전극을 개발할 수 있던 것이다.

정 교수팀의 투명전극은 면저항이 7 오메가(Ω) 정도로 기존 ITO 투명전극보다 작은 면저항을 가지고 있으며, 가시광선 영역대에서 투과성을 높이는 실험이 수행될 경우 충분히 제품화할 수 있는 무한한 가능성을 갖추고 있다.

자원 없다면 기술로 승부해야


이번 연구는 희귀금속이 부족한 우리나라가 향후 전자제품 분야에서 지속적인 우위를 유지하기 위해서는 새로운 소재와 공정의 개발이 필수라는 정 교수의 책임감에서 시작됐다.

“미래에는 가벼우면서도 깨지지 않고, 휴대가 간편한 유연디스플레이(flexible) 디바이스 기반의 휴대전화와 PDA, MP3 플레이어 등이 널리 보급될 것입니다. 뿐만 아니라 잡지와 교과서, 서적 같은 출판물을 대체할 수 있는 접거나 둘둘 말아서 휴대할 수 있는 전자책 등 현재 유리기판 기반의 디스플레이로는 적용할 수 없는 다양한 제품들이 곧 출시될 예정이죠. 따라서 유연 투명전극을 개발하고 기술 선점을 위해서는 고부가가치 시장의 원천기술 확보가 중요하다고 생각했어요. 때문에 연구를 시작하게 됐고요.”

정 교수팀의 연구는 높은 투명도와 전기전도도, 저렴한 가격 이외에도 여러 장점으로 다양한 가능성을 갖고 있다. 특히 유연한 고분자 기판에도 적용된다는 점은 주목할 만하다.

“금속 격자무늬 투명전극을 유연한 고분자 기판에도 적용해 보았어요. 유연 투명전극은 차세대 유연 디스플레이 디바이스에 필수적이죠. 현재 ITO가 증착된 고분자로 된 PET 유연기판이 상업적으로 많이 이용되고 있습니다. 하지만 ITO는 구부릴 경우 ITO 박막에 금이 가기 시작해서 여러 번 구부리면 전도도가 떨어져서 유연 투명전극으로 상용화하기 어렵다는 단점이 있어요. 그러나 은 나노입자로 구성된 격자무늬 투명전극은 나노 두께 금속선의 유연한 특성으로 1천 번의 구부림 실험에도 전도도가 전혀 감소하지 않는 특성을 확인할 수 있었습니다.”

이는 이 연구결과가 미래 유연디스플레이 시대에 유연 투명전극으로써 활용될 수 있는 가능성을 보여주는 결과로, 다양한 장점을 갖고 있기에 잠재력이 풍부한 기술로 평가받고 있다.

정건영 교수는 향후 해당 기술로 인해 유연기판에 적용된 격자구조 투명전극의 활용성이 가시화될 것으로 보인다고 언급했다. “미래에는 다양한 투명 디스플레이가 상용화될 것입니다. 이미 삼성은 미래의 창문으로 밖이 훤히 내다보이면서도 손을 갖다 대면 필요한 정보가 표시되는 데모 제품을 발표했습니다. 또한 뒤의 배경이 보이는 랩탑 컴퓨터도 소개했죠. 이외에도 다양한 유연 디스플레이가 개발될 것인 만큼, 개발된 유연기판에 다양하게 접목할 수 있을 것입니다.”

앞으로 심화된 연구를 통해 더욱 발전된 형태로 기술을 개발할 것이라는 정건영 교수. 그는 “실제 상용화를 위해서는 투명도를 많이 올려야 할 것 같다”며 “그러기 위해서는 전도도가 떨어지지 않는 선에서 금속 격자 사이의 개구율을 높이는 실험을 먼저 선행해야 할 것”이라고 전했다.

이어 그는 “은 나노입자가 여러 번 구부림에도 유연기판에 떨어지지 않고 잘 붙어 있는 조건 실험 등 상용화를 위해서는 많은 연구가 필요하다. 원천기술이 미래 국가의 부를 창출할 것인 만큼 책임감을 갖고 열심히 연구할 것”이라고 포부를 밝혔다.