Special Issue  ______  그래핀 투명전극으로 OLED 디스플레이 개발

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꿈의 디스플레이와 차세대 신소재의 혁신적인 만남

혁신에 혁신을 더하다

OLED 디스플레이는 초박형, 고화질 등 미래형 디스플레이로써 필요한 모든 요소를 갖추고 있어, LCD 이후 꿈의 디스플레이로 평가받는다. 최근 꿈의 디스플레이로 각광받고 있는 OLED 기술과 차세대 꿈의 신소재로 주목받고 있는 그래핀 기술이 만나 혁신적인 차세대 디스플레이가 ETRI 연구진에 의해 개발되었다.
ETRI 연구진이 개발에 성공한 차세대 유기발광다이오드(OLED) 디스플레이에는 투명전극으로 인듐주석산화물(ITO) 대신 차세대 신소재라 불리는 그래핀을 이용하였다.
ETRI 연구진이 개발에 성공한 디스플레이는 크기에서도 혁신을 이루었다. 디스플레이 기판의 크기는 19인치 모니터 크기 수준인 370mm x 470mm로 현존하는 세계 최대 크기이며, 그래핀 전극의 두께는 5㎚ 수준에 불과하다.
그래핀과 유연한 기판을 결합하면 유연한 디스플레이 구현이 가능하기 때문에 이는 향후 유연성이 요구되는 웨어러블 기기 제작에 활용 가능한 원천기술이 될 수 있다.

깨지지 않고 유연한 디스플레이 개발에 도전

그동안 차세대 디스플레이인 OLED를 유연한 디스플레이로 응용하려는 움직임이 지속적으로 연구개발 및 산업계에서 확대되어 왔다. 이를 위해, 유리기판을 대신하는 유연한 플라스틱 기판, 빛을 내는 화소, 스위치 역할을 하는 트랜지스터 등 핵심적인 소재와 구조기술이 빠른 속도로 개선되고 있다. 이에 반하여 전류를 흐르게 하는 유연성을 가지고 있는 투명 전극 분야 소재 기술의 개발은 더디게 진행되었다.
한편, 그래핀 소재는 2004년 최초로 발견되어 차세대 전극 소재로서 10여 년 전부터 큰 주목을 받았다. 이후, 뛰어난 물리적 강도, 우수한 전기 전도성, 높은 유연성 등 학술 연구 단계에서 혁신적인 소재로 입증되어, 2010년에는 관련 연구자들이 노벨물리학상을 수상했다.
그래핀은 단일막 수준에서는 전기적이나 광학적으로 우수한 성능을 보여주었지만 공정 제약으로 인하여 줄곧 그래핀 투명전극의 산업계 직접 적용이 어려웠다. 대표적인 제약으로는 그래핀 박막 대면적에서의 품질 균일도, OLED에 전극으로 전사기술, OLED에 화소를 형성하는 안정적인 그래핀 패터닝 기술 등이 있다.
머리카락 굵기의 33만분의 1인 0.34 nm에 불과한 그래핀의 얇은 두께는 대면적 공정 진행의 커다란 장벽이였다.
최종 기판에 전사공정에서 발생하는 그래핀 손상, 중간공정에서 표면잔류물 등으로 인하여 그래핀 투명 전극이 적용된 OLED는 제작이 기술적으로 어려웠다.

디스플레이 강국에서 초강국으로 우뚝

ETRI 연구진은 OLED에 투명전극으로 폭넓게 사용되고 있는 ITO를 그래핀으로 대체했다. 그래핀 소재는 유연성을 가지고 있다. 그래핀을 사용하면 외부충격에 잘 깨지는 ITO의 기계적 약점을 극복할 수 있다.
ETRI는 한화테크윈과 공동으로 그래핀 대면적 성장 기술과 대면적 전사기술을 개발하였다. 특히 전사 결함과 잔류물의 등장 빈도를 현저히 줄여서 OLED 투명전극에 요구되는 기술 사양을 만족시키는 기술적 도약을 달성하였다.
구체적으로는 OLED에 적용할 수 있는 60Ω/m² 수준의 면 저항과 85% 이상의 투과도를 갖는 그래핀 투명전극 가공과 공정기술을 확보하고, 디스플레이 공정에 절대적으로 요구되는 미세 패터닝 공정을 세계 최초로 개발했다.
ETRI는 이번 개발에 성공한 기술을 활용해 그래핀 전극 OLED 패널로는 세계 최대 사이즈인 370mm x 470mm급 패널의 안정적 점등에 성공했다. 또한, 스페인 바르셀로나에서 개최된 그래핀 관련 세계 최대 학회인 「그래핀 2017」에서 논문발표와 시연을 통해 큰 호평을 얻었다.
향후 2년안에 그래핀 소재를 활용하여 유연한 디스플레이 적용을 위한 전극뿐만 아니라 수분과 공기의 침투를 막는 방지막 기술을 LG Display와 협력을 통해 개발할 예정으로 있다.
후발국과의 격차가 거의 없어지고 있는 LCD 기술에 이어 OLED 기술은 대한민국이 지속적인 디스플레이 강국의 위상을 유지하기 위한 핵심 기술로 인식되고 있다. OLED 분야에서도 후발국의 도전이 계속되는 상황에서 이번 기술 개발은 후발국과의 기술 격차를 확대하고 디스플레이 분야의 국제적 우위를 유지하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 앞서 언급한바와 같이 그래핀 소재는 유연성이 요구되는 웨어러블 소자 분야에 큰 역할을 하게 되기라 기대된다.