KIST 김명종 박사, 'CVD 이용한 맞춤형 그래핀 개발' 발표에서 밝혀
OLED가 플렉시블화 되려면 배리어가 중요, 배리어 맞춤형으로 합성

접히거나 휘어지는 디스플레이에 대한 얘기가 꾸준히 나오고 있는 가운데, 플렉시블 디스플레이 개발이 더딘 이유는 무엇일까.

지난 17일, 일산 킨텍스에서 열린 플렉시블 디스플레이 기술 동향과 이슈 세미나에 주제 발표에 나선 한국과학기술연구원(KIST)의 김명종 박사는 “앞으로 디스플레이는 OLED를 기반으로 대형화되고 투명하고 플랫한 방향으로 갈 것이다”라며 “대면적의 CVD 그래핀이 여러 분야에 응용되지만 투명전극으로도 사용되기 때문에 플렉시블/투명 디스플레이로도 활용할 수 있다”고 말했다.

그는 ‘플렉시블 디스플레이에 활용 가능한 CVD를 이용한 맞춤형 그래핀 개발’을 주제로 그래핀이 디스플레이 적용되기 위해 어디까지 기술이 개발되었고 어떻게 활용할 수 있는지에 대해서 발표했다.


▲원하는 형태로 휘어짐을 조절하는 ‘플렉시블 올레드 사이니지’

일반적으로 휴대전화의 터치패널에는 ITO(인듐주석산화물) 필름이 들어간다.이 ITO 필름은 몇 가지 문제점이 있다.현재 우리나라는 인듐을 중국에서 수입하고 있는데 인듐은 지구에서 자생적으로 생성되는 물질이 아니기 때문에 시간이 지나면 공급에 한계를 가지게 된다. 또, 공정온도가 높고 연성기판에 적용하기 어렵다. ITO를 다룰 때 여러가지 제어가 필요한데 쉽게 깨지고 OLED에 적용시 유기층으로 인듐이 확산되는 등의 문제가 있어 ITO의 단점을 보완할 다른 방식의 투명전극 소재가 필요하다.

ITO 필름 문제점 해결할 소재 찾아야 할 때

ITO를 대신하려면 전기가 통하면서도 기계적 강도가 좋아야 한다. 대안으로 나오는 소재들이 탄소나노튜브(CNT), 실버나노와이어(Silver Nanowire), 메탈 매쉬(Metal Mesh), 전도성 고분자(Conductive Polymer), 그래핀(Graphene)이 있다. 시제품이 나오고 양산단계까지 나온 소재들이지만 투과성, 면적, 거친 표면, Haze 등의 문제로 투명전극으로 사용하기에 어려움이 있다.

전도도와 이동성을 봤을 때 적절한 대안이 되는 것이 그래핀이다. 그래핀을 화학적 박리법을 통해 얻어서 투명전극으로 사용하고 있는데 이것은 에너지 전극용으로는 충분하지만 디스플레이에 사용하기에는 무리가 있다.그래핀을 얻는 새로운 방법으로 에피텍셜 성장법이 이용되면서 니켈필름 위에서도 CVD 그래핀이 성장한다는 것이 밝혀졌다.이 방법의 응용으로 구리 호일 위에서 한장의 그래핀이 성장할 수 있다는게 증명되면서 CVD 그래핀의 합성이 보다 쉬워졌다.

연구에 의해 30인치의 구리 호일에서 성장하고 원하는 PET 재질에 전사해 실제로 사용 가능한 형태까지 진행되었다. 소니에서는 그래핀의 합성부터 전사까지 롤투롤(Roll-to-Roll)로 진행하는 제조 기술이 나왔고, 한화테크윈에서는 수십 인치의 그래핀이 코팅된 필름이 나왔다. 해성디에스에서는 34인치의 대면적 그래핀의 양산기술이 개발됐다.

그래핀을 배리어(Barrier)로 사용하는 새로운 사용법 개발해 

김명종 박사 연구팀은 그래핀을 배리어(Barrier)로 사용하는 방법을 생각해 냈다. OLED가 플렉시블화 되려면 배리어가 중요하다. 현재는 유리가 최고의 배리어이다. 유리를 사용하지 않고 다른 소재를 사용하게 되면 산소와 수분에 취약한 OLED를 보호하기 위한 배리어가 필요하다.

연구팀이 생각해낸 아이디어는 CVD 그래핀이 성장속도가 초기에는 빠르지만 시간이 지나면 느려지는 점을 이용해 두가지 단계로 나누어 첫 단계에서는 산소를 적게 넣어주고 두번째 단계에서는 산소를 많이 넣어주는 방법으로 결정을 줄이는 것이다. 결정을 줄이고 투습도(WVTR)를 측정하였더니 0.5nm 에서 60%의 수증기를 차단할 수 있었다.

배리어는 수분뿐만이 아니라 산소도 차단해야 한다. 실버나노와이드나 하이브리드된 전극을 만들었을 때 Ag(은)가 산화가 잘되서 내구성이 좋지 못하다. 이 단점을 그래핀을 이용하면 산소에 대한 배리어 역할을 해서 시간이 지나도 결정이 변화하지 않게 할 수 있다.

김명종 박사는 “대면적이 가능한 CVD 그래핀을 이용해 배리어 맞춤형으로 합성하는 연구가 계속되고 있다”며“가격적인 면도 ITO 필름 수준으로 내려가고 있어 대면적 그래핀의 상용화가 머지않았다”고 전했다.