국내 연구진이 휠 수 있는 웨어러블 기기 제조의 최대 난제로 꼽혀 왔던 유연하면서 투명한 전극을 개발했다. 이로써 각종 디스플레이 기기의 웨어러블화에 날개를 달 전망이다. 특히 본 기술은 국방 디지털화에 적용, 군인이나 장비, 탱크의 위장에도 쓰일 수 있다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 전기변색소자를 기반으로 그래핀 물질을 네 개층으로 쌓아 0.5초만에 색이 변하는 소자를 개발, 지난 2일, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되었다고 밝혔다.

이번 논문의 제1저자는 ETRI 김주연 박사이며, ETRI 김태엽 박사와 황치선 그룹장, 조남성 그룹장 등이 함께 참여했다. ETRI는 지난 2013년에도 전기변색기술을 개발, 스마트 윈도우를 만든바 있다.

현재 본 기술은 기술이전 되어 상용화 준비중이다. 운행중 뒷차의 불빛에 따른 눈부심 방지를 위한 룸미러에 적용이 예상된다.당시 기술은 인듐주석산화물(ITO)이 기판위에 쓰여졌다.  하지만, ITO물질은 희소물질로 그래핀에 비해 전기화학적 안정성, 신뢰성 및 유연성이 떨어지므로 웨어러블화 등에 한계가 있었다.

연구진은 웨어러블화의 필수요건인 전기가 통하게 만드는 전극을 휘게 만들었다.  이러한 유연 전극의 도입을 통해, 기존 유리기반 디스플레이를 플래스틱 기반 웨어러블 디스플레이로 적용 가능성을 높였다.

전극으로 사용하기 위해선 전기전도성이 좋아야 한다. 물론 디스플레이로 활용키 위해선 투명한 기판위에 올렸을 때 빛이 잘 투과되는 성질 및 조절도 관건이다.

따라서 이번 성과는 그래핀을 활용해 투명하면서도 쉽게 휠 수 있는 전극을 확인했다는 점에서 큰 의미가 있다.

ETRI는 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 종이두께 보다 백만 배 얇은 두께의 그래핀을 한층 한층 쌓아보았다. 적층을 통해 문제해결에 나선 셈이다.

연구진은 한화테크윈으로부터 제공받은 그래핀 한층이 올라간 열전사 필름을 160℃ 고온에서 라미네이팅 과정을 거쳐, 그래핀을 전사시켰다.

전사 공정을 통해, 6층까지 적층하는데 성공하였으며, 이후 폴리머 계열의 전기 변색물질을 올려 샌드위치처럼 소자화 했다.

ETRI는 4개층의 그래핀 전극을 적용한 경우, 전기화학적 안정성이 가장 우수함을 밝혀냈고 90%이상의 높은 투과도가 유지되면서, 변색 속도도 10배나 빨랐다고 설명했다.

기존 전기전도도는 ITO소재 대비 낮은 100옴(Ω)수준으로 좋고 변색 속도 또한 기존대비 최대 10배나 빠른 0.5초 이하로 줄였다. 따라서 기존 전극을 대체가 가능함을 확인했다. 이로써 연구진은 두께 2mm, 2x3cm의 투명한 전기변색소자를 만드는 데 성공했다.

향후 연구진은 이를 크게 만드는 대면적화를 통해 웨어러블 기기에 적용 가능토록 만들 계획이다.

실제 만든 소자는 전극을 통하게 한 상태서 투명한 소자는 밑바닥이 훤히 들여다 보였고 불투명한 상태의 소자는 밑바닥이 보이지 않았다.

ETRI는 향후 본 소자가 스마트 창이나 자동차용 룸미러 등 에너지 절감소자를 비롯, 주변 환경에 따라 색이 자동으로 빠르게 변할 수 있음에 따라 군인이나 탱크 등의 위장시 카멜레온처럼 활용될 수 있다고 설명했다.

아울러 사이니지나 실외용 광고, 디스플레이에 적용되는 정보표시 소자에도 널리 활용될 수 있다고 밝혔다.

ETRI는 향후 완벽한 ‘휘는 디스플레이’기술 개발을 위해 추가연구를 할 계획이다. 기술이 개발되면 디스플레이가 활용되는 TV, PC, 스마트폰, 사이니지 등 각종 전자기기의 디자인에 큰 변화를 줄 수 있게 될 전망이다.

ETRI 김태엽 실감디스플레이연구그룹 프로젝트 리더는 “그래핀을 활용 하여 색상 및 열 가변 소자를 개발, 개인전투체계에서 군화, 방탄모, 위장복을 플랫폼화해 적으로부터 아군을 보호하는 카멜레온 위장 기술로 확대할 계획이다”고 말했다.

연구진은 또한 본 기술의 실제 적용가능한 분야가 국방의 전력지원 체계가 효과적임을 감안, 국방부 군수관리실, 국방기술품질원 및 전력지원 체계사업단 등과의 기술교류 협력을 기대하고 있다고 밝혔다.

연구진은 이로써 국방기술의 디지털화에 노력하고 상용화에 근접하는 기술 개발을 위해 추가과제 도출이 필요하다고 설명했다.

본 연구는 과학기술정보통신부 정보통신기술센터(IITP)의 “고해상도 광대역 실감 입체 영상용 소재 및 소자 기술”과 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT)의“그래핀 소재의 OLED 투명전극과 박막봉지 적용을 위한 2세대 이상 기판 기반의 플렉서블 OLED 소자/패널 기초 및 응용 기술 개발”과제 수행으로 얻어진 결과물이다.