우리얘기

투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로, OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품입니다.

투명전극 필름의 원료는 '제2의 희토류'로 불릴 정도로 희귀한 인듐이 사용됩니다.

인듐은 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 현재 널리 사용 중입니다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 항상 주석이나 납과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않습니다.

게다가 인듐으로 만든 투명전극 '인듐주석산화물(ITO)'은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있습니다.

그럼에도 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략 자원으로 구하기조차 힘든 실정입니다.

은을 이용한 나노와이어는 인듐의 대체물질로 상대적으로 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태를 가져 투명함과 휘어지는 성질도 우수합니다.

하지만 은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데, 이를 기존 방식처럼 고분자로 코팅하면 표면이 두꺼워져 투명도와 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었습니다.

■ 성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀은  희소 금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)에 산화그래핀으로 코팅, 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했습니다.

산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해, 향후 휘어지는 디스플레이와  태양전지 등의 개발에 크게 활용될 전망입니다.

연구팀은 은나노와이어를 단일 탄소층인 산화그래핀으로 코팅해 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 산화는 견딜 수 있도록 만들었습니다.

투명 전극 구조

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점을 주목했습니다.

산화그래핀/은나노와이어 필름의 표면 이미지로 은나노와이어 간의 유효 접촉점을 보여줌.

이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기에 노출시켜도 산화되지 않는 특성이 생겼습니다.

이번 연구를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어와 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

연구 결과는 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 1월 23일자 온라인판에 게재되었습니다.
(논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

 용  어  설  명

그래핀(Graphene)
육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다.
높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용  가능성이 매우 높은 물질이다.
이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.  
 

그래핀의 격자구조 모식도

투명전극(transparent electrode)
광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다.
생체 관련 물질의 산화-환원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.  

<이효영 교수>  1. 인적사항 소 속 : 성균관대학교 화학과 2. 학력 1997 University of Mississippi 유기화학 박사 1991 경희대학교 분석화학 석사 1989 경희대학교 화학 학사 3. 경력사항 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학과 교수 2000 ~ 2009 : 책임연구원, 한국전자통신연구원 분자메모리소자팀(팀장) 1999 ~ 2000 : 선임연구원, 포항공과대학교 화학과, 지능초분자 연구단 1997 ~ 1999 : 박사후연구원, North Carolina State University, 화학과 1984 ~ 1986 : 육군 1군지사 (현역, 병장제대)    4. 전문 분야 정보 - 분자전자 소재 및 소자 - 나노전자소자, 전자수송 현상 - 유기반도체 소재 및 소자  - 유기전계발광 소재 및 소자 - 산화그래핀 소재 및 소자 5. 연구지원 정보   2006 - 현재  교과부?연구재단 리더연구자지원사업[창의적 연구] 연구책임자

현재 개발되고 있는 투명디스플레이는 출력되는 영상이 선명하지 않아 미세한 구별이 어렵기 때문에 실질적으로 상용화하기가 어려운 면이 있습니다.

왜냐하면 빛을 내는 형광체의 발광세기가 충분히 높지 않기 때문입니다.

또 형광체 재료로 사용되는 희토류 금속의 가격이 폭등하고 있는 것도 상용화를 위한 걸림돌로 지적되고 있습니다.

■ 표면 플라즈몬은 금속박막 또는 나노입자 표면에서 일어나는 표면 자유전자들의 집단적인 진동현상입니다.

발광체 주변에서 표면 플라즈몬 공명 특성이 나타날 경우 발광체의 발광 재결합 속도가 증가해 발광체의 발광 특성이 향상될 수 있는 연구결과가 나왔습니다.

'나노 표면 플라즈몬' 이 발생하는 경우 전기적 필드가 집중되는 모습

■ KAIST 전기및전자공학과 이성민 박사과정 학생과 최경철 교수가 나노 표면 플라즈몬 현상을 이용해 투명 디스플레이의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 원천기술을 개발했습니다.

이번 기술은 스마트 쇼윈도우나 스마트 미러, 투명 단말기, 투명 핸드폰 등 보다 선명한 투명디스플레이 개발에 활용될 수 있습니다.

KAIST 연구팀은 불투명하고 빛을 반사하는 특성을 가진 금속을 나노입자 수준으로 아주 작게 만들면 빛이 금속입자를 통과해 투명하게 보이고, 금속입자들은 공명현상을 일으켜 발광세기를 증가시키는 '표면 플라즈몬' 현상이 발생하는 것에 주목했습니다.

이 현상을 이용해 연구팀은 나노크기의 은(Ag)을 희토류 금속이온이 첨가된 투명 형광물질로부터 수십 나노미터 이내에 위치하게 해 투명 형광물질의 발광세기를 최대 63.7% 향상시켰습니다.

‘나노 플라즈몬 공명’을 유도하기 위한 은 나노 입자의 형상

'나노 표면 플라즈몬‘ 이용한 투명 디스플레이

또 이 원리를 이용하면 전기·광학적 효율도 11%나 향상돼 저전력 투명디스플레이 소자를 구현할 수 있다는 점도 밝혀냈습니다.

이 기술은 최 교수팀이 지난 2009년 나노 표면 플라즈몬을 이용해 OLED의 밝기를 증가시킨 것에 대한 후속 연구 성과로, 나노 표면 플라즈몬의 차세대 디스플레이에 대한 활용 가능성을 높였다는 점에서 획기적인 연구 성과로 꼽히고 있습니다.

특히 나노 표면 플라즈몬 기술을 이용해 소자의 투명도를 유지하면서 발광체의 광 특성을 향상시켜 투명한 LCD, PDP, LED 등 미래 투명디스플레이 소자에 확대적용이 가능합니다.

이번 연구결과는 나노기술 분야 세계적 권위지 '스몰(Small)' 온라인 판 3월호에 게재됐습니다.

 용  어  해  설

투명 디스플레이 :
빛을 내는 형광물질과 광자발광, 전계발광, 음극선 발광 원리를 이용하여 구성된 디스플레이로서 투명 재료 기술을 접목하여 발광하지 않는 상태에서는 투명하다가, 발광을 하는 경우 이미지 및 동영상을 구현할 수 있는 형태의 차세대 디스플레이 소자.
 
나노 플라즈몬 현상 :
나노 크기로 형성된 금속 나노 입자에 특정 광원이 입사되었을 때, 광원의 파장에 따라 금속 나노입자의 표면에 위치한 전자가 공진적으로 진공하는 유사입자를 지칭한다.
금속 나노 입자의 재질, 모양 및 주변의 굴절률에 따라 공진하는 파장이 결정되므로 특정 색상을 띠게 되고, 유도된 표면 플라즈몬은 금속 나노 입자주위로 한정되는 특징이 있다. 

진공 열증착법 :
10-4 Torr 이하 높은 진공상태에서 증착하고자 하는 물질에 열을 가하여 기화시킨 후, 기체상태의 물질이 목표 기판에 도달하여 박막으로 증착시키는 방법. 

광효율 :
소비되는 전기량(전력) 대비 빛의 밝기가 어는 정도 인지는 알려주는 물리적인 양.

희토류 금속 :
첨단 산업에서 많이 사용되는 원소로서 란타넘 계열의 금속 원소 및 스칸듐과 이트륨을 합쳐 총 17종의 금속원소를 지칭하는데, 디스플레이 산업에서는 가시광선 영역의 빛을 발광하는 형광체를 제조하는 데 사용된다.
최근 디스플레이 산업의 원자재 가격 상승 문제와 관련하여 희토류 금속의 가격이 상승에 대한 관심이 증가하고 있다.

<최경철 교수>   성    명 : 최 경철 ( 崔  景  喆) 생년월일 : 1964년  2월  11일 근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)           전기 및 전자 공학과 1982. 3 - 1986. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학사 1986. 3 - 1988. 2 : 서울대학교 전기공학과 / 공학석사 1988. 3 - 1993. 8 : 서울대학교 전기공학과/ 공학박사 <주요경력> 1993. 9 - 1995. 4 : 고등기술연구원 / 선임연구원 1995. 5 - 1998. 5 : Spectron & HPD / 책임연구원 1998. 6 - 1999. 10 : 현대전자 디스플레이 선행연구소/ 책임연구원 2000. 3 - 2005. 1 : 세종대학교 전자공학과/ 부교수                   ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장 2005. 2 - 2009. 8 :  KAIST 전기및전자공학과 / 부교수 2009. 9 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 정교수 2011. 2 - 현재 : KAIST 전기및전자공학과 / 산학담당 부학과장 2011. 5 - 현재 : KAIST 석좌교수 2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장 <디스플레이 분야 활동 내역> 2005. 9 - 2010.12 : Associate Editor, IEEE/OSA Journal of Display Technology 2007. 8 - 현재 :  차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터장 2008. 1- 현재 : 한국 정보디스플레이 학회 국제협력이사/사업이사/학술이사 2000. 8 - 2005.7 : ITRC 정보 디스플레이 연구 센터장 2001. 7- 현재: Program committee member, International Meeting on Information Display 2010. 1 - 현재 : Program committee member, Society for Information  2006. 12 : Outstanding poster award, International Display Workshop 2006 2007.  4 : 산업자원부 장관상

<이성민 연구원>  성    명 : 이 성민 ( 李 星 旻) 생년월일 : 1981년  8월  8일 근 무 지 : 대전시 유성구 구성동 한국과학기술원(KAIST)           전기 및 전자 공학과 <학    력> 2000. 3 - 2007. 2 : 한양대 전기전자 컴퓨터 공학부 / 공학사 2007. 3 - 2009. 2 : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학석사 2009. 3 - 현재   : KAIST 전기 및 전자 공학과 / 공학박사 <주요경력> 2008. 2 - 현재 : 차세대 플렉시블 디스플레이 융합 센터 / 연구원 <연구업적> 나노 표면 플라즈몬 관련 SCI 저널 6편 출판(1편 출판예정)

□ 영화 '터미네이터4'에서 반 기계인간이 대형 투명 유리판으로 된 모니터를 통해 각종 데이터를 보는 장면이 나옵니다.
다른 SF 영화에서도 투명 모니터를 종종 볼 수 있습니다.

□ 우리 일상에서 이와 비슷한 것으로 요즘 BMW를 비롯한 최신 차량에 적용되는 HUD(Head Up Display) 시스템이 있습니다.

그러나 HUD는 엄밀히 말하면 투명 디스플레이가 아니라, 빛의 일부를 투과시키고 일부는 반사시키는 특수 유리의 성질을 이용한 일종의 반사체 입니다.

이는 1950년대부터 시야 확보가 중요한 전투기 등에 적용되다가 최근 들어 일반화되고 있는 것입니다.

그러나 엔지니어가 꿈꾸는 궁극의 시스템은 HUD가 아니라 바로 유리 자체가 모니터가 되는 투명 디스플레이 입니다. 

이런 투명 모니터를 실제로 만들 수 있게 됐습니다.

□ ETRI(한국전자통신연구원)가 차세대 디스플레이의 대표 분야인 투명 디스플레이 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 원천기술인 투명 AMOLED(능동형 유기발광다이오드)를 개발했습니다.

이번 개발은 지난해 ETRI가 개발한 '투명 디스플레이'의 후속 연구개발 성과로서, 배경이 어두운 밤에는 디스플레이가 잘 보이지만, 배경이 밝은 낮에는 잘 보이지 않는 현상을 개선한 것입니다.

새로 개발된 고화질 투명 디스플레이 기술은 주변 환경에 따라 투과도 조절이 가능해 대조비를 170배 향상시켰습니다.

기존에 개발된 투명 디스플레이의 활용도를 높이기 위해서는 밤과 낮, 밝은 곳과 어두운 곳 등 주위 밝기에 따라 투과도가 가변되어야 합니다.
 
ETRI는 디스플레이의 뒷면에 자체 개발한 플렉시블 LCD기술을 적용, 0.02%까지 빛의 투과도를 조절함으로써 빛의 투과를 막을 수 있습니다.

또 핵심기술은 투명 디스플레이 평판기술중 LCD가 아닌 OLED(유기발광다이오드)기술을 채택함으로써 응용 가능성의 폭을 획기적으로 넓혔다는 점입니다.

ETRI는 기존 많이 사용하던 실리콘 재료가 아닌, 산화물 TFT를 이용, 투과도 조절도 성공했습니다.

산화물 TFT개발 성공은 향후 고해상도 3DTV의 보급과 세계 1위 TV수출국 유지에도 큰 역할을 할 전망입니다.

□ 이에 따라 향후 건물의 유리창을 디스플레이로 이용하는 시대가 더욱 빨리 올 전망입니다.

유리창 디스플레이를 이용해 TV를 볼 수 있고, 회의 등에서 필요한 정보를 전달할 수도 있어 기존 스크린을 대체할 수 있습니다.

이는 자동차 앞 유리로 투영되는 네비게이션, 스마트 쇼 윈도우, 스마트 미러, 증강현실 디스플레이, 투명 단말기 등에 널리 사용될 예정입니다.

투과도 조절 투명디스플레이를 차량 앞유리창을 이용 내비게이션에 적용한 모습

한편 ETRI는 공동연구 업체인 주성엔지니어링㈜, 네오뷰코오롱㈜, ㈜나노신소재(ANP) 등과 해외 업체에 기술이전을 통해 총 18억 원의 기술료 수입을 달성했습니다.
 

 용  어  설  명

AMOLED :
능동형 유기발광다이오드(Active Matrix Organic Light Emitting Diodes)

증강현실(Augmented Reality) :
사용자가 눈으로 보는 현실세계에 가상 물체 및 정보를 겹쳐 보여주는 기술로 현실세계에 실시간으로 부가정보를 갖는 가상세계를 합쳐 하나의 영상으로 보여주는 기술

TFT(Thin Film Transistor) :
박막 트랜지스터. TFT-LCD나 AMOLED 화소 하나 하나에 붙어 표시를 제어함. 고화질 화면을 대면적에서 구현 가능하게 하는 장점이 있지만, 제조 비용이 고가임.

반도체 양자점을 형광체로 이용해 고품질 LED를 만드는 원천기술을 국내 연구진이 세계 최초로 개발했습니다.

반도체 양자점(Quantum Dot)은 지름이 2~10 ㎚ 크기인 반도체 결정으로, 화학적 합성 공정을 통해 만들어지는 것으로 같은 성분임에도 크기가 바뀌면 색깔이 바뀌는 특징이 있습니다.

LED와 OLED, 태양전지, 바이오 표시자, 바이오센서, 위조방지 인쇄 등의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

한창수 박사

현재까지 개발된 양자점 활용 LED 제작 기술은 많은 양의 양자점이나 광안정성이 떨어지는 단일껍질 양자점을 주로 활용했습니다.

낮은 광안정성은 실용화에도 어려움을 줬습니다.

그런데 이번 기술 개발로 양자점을 기존의 절반만 사용해도 목표 성능을 얻을 수 있게 됐습니다.
 

(a) 양자점 형광체를 이용한 고품질 LED 개략도 (b) 제조된 LED 사진 (c) 구동된 LED의 White Color 발광 결과 (CRI: 91, Color Temp: 4805 K)

UV를 조사하기 전과 후의 폴리머 안에서의 양자점 분포 (투과전자현미경 사진)모서리 그림은 양자점 복합체의 UV 조사 전후의 발광 사진

양자점 복합체의 UV 조사를 통한 발광효율 향상 반도체 양자점(NQD; Semiconducting Quantum Dot) : 원자가 10,000~1000,000 정도로 이루어진 Dot형태의 물질 (2~10nm)로 마치 원자 하나의 물리적 특성과 유사한 성질을 가지고 있으며, 광의 흡수 및 발광효율이 매우 높아 광학 분야에서 최근 가장 각광받고 있는 나노 크기의 신소재이다. 같은 성분임에도 크기만 바꾸면 아래와 같이 발광하는 파장이 달라져 다른 색의 빛을 발광하는 특징이 있다.