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구부리고 접고…코앞으로 다가온 꿈의 디스플레이

IT기기 구현을 위한 차세대 투명 전극 소재 기술

최근 중국 스마트폰 제조사들이 신형 스마트폰을 대거 발표하면서 세계시장 1, 2위인 삼성전자와 애플의 아성을 위협하고 있다는 신문기사가 종종 보이고 있다. 이는 몇 년 전까지만 해도 저가폰이라는 인식이 강했던 중국 제조사의 스마트폰이 삼성전자와 애플의 플래그십 스마트폰과 기능상에서 큰 차이를 보이지 않으면서 일어난 현상으로 분석된다. 실제로 최근 스마트폰을 보면 정말 나올 만한 기술은 이미 다 나왔다는 생각이 들 정도이고 플래그십 모델들의 경우 그 차이를 구분을 할 수 없을 정도로 매우 비슷해졌다.


이러한 상황에서 스마트폰 제조사들은 ‘완전히’ 새로운 기술에 눈을 돌리기 시작했고 그 중 하나가 플렉서블 스마트폰이라 할 수 있다. 2013년 우리나라의 삼성전자와 LG전자는 갤럭시 라운드와 G플렉스를 각각 선보이며 플렉서블 스마트폰 상용화에 대한 기대감을 높였으나, 사용자가 마음대로 기기를 접거나 휘게 할 수 없었다. 사실상 미완의 플렉서블 스마트폰인 셈이다. 5년이나 지난 현재까지도 엄밀한 의미의 플렉서블 스마트폰은 존재하지 않고 있다. 이는 플렉서블 스마트폰을 이루는 디스플레이, 배터리, 회로기판 등 다양한 부품들이 모두 플렉서블한 형태가 되어야 하지만 현재 기술로는 한계를 가지기 때문이다. 본고는 플렉서블 스마트폰을 구현하기 위하여 갖춰야 할 요건 중 하나인 플렉서블 디스플레이의 현재 기술 수준과 전망에 대하여 간단히 짚어보고자 한다. 


플렉서블 디스플레이(Flexible Display)는 평면 디스플레이(Flat Panel Display)와 달리 접거나 휠 수 있는 등 형태를 변형시킬 수 있는 차세대 디스플레이를 말한다. 플렉서블 디스플레이는 휘는 정도에 따라 Curved a Bendable a Rollable & Foldable 의 형태로 발전할 것으로 예측되며, 이미 TV, 모니터, 스마트폰 등 여러 IT 제품에는 Curved display 기술이 적용되고 있다. 이러한 Curved 단계의 플렉서블 디스플레이가 적용된 제품들은 과도기적인 제품으로서 궁극적인 플렉서블 디스플레이의 형태인 Rollable & Foldable 디스플레이의 구현을 위해서 부품 및 소재의 혁신이 필요하다. Foldable 디스플레이는 곡률반경이 종이를 반으로 접었을 때와 유사한 1mm수준이어야 하며, 이를 위해서는 강화 유리, 터치센서, 박막층 등 부품·소재의 유연성을 향상시켜야만 한다. 이를 위하여 LCD나 OLED의 강화유리(고릴라 글래스)를 대체하기 위하여 플라스틱 윈도우가 필요하며, 전극층의 경우 기존 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 대신 탄성과 내구성이 뛰어난 소재가 필수적이다. 


플렉서블 디스플레이에 응용되기 위해서는 전극층은 폴리머 필름등과 같은 유연성을 가진 기판 위에 박막을 형성하여 높은 전기 전도도를 가진 동시에 가시광 영역에서 우수한 투과도를 가져야만 한다. 현재 투명 전극으로 가장 일반적으로 사용되고 있는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)의 경우, 전기적 특성과 투과도가 좋지만 탄성과 내구성이 낮아 플렉서블 디스플레이 전극층으로 사용되기에는 한계를 가지고 있다. 이를 극복하기 위한 차세대 소재로 금속성 나노와이어(Metallic nanowire), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 전도성 고분자(conducting polymer)등이 연구되고 있다. 


금속성 나노와이어의 경우 수십 nm 직경을 가진 전도성 나노와이어가 랜덤 네트워크 형태를 이루어 전극을 구성하는 것으로서, 도전성 페이스트(paste)를 만들어 롤 투 롤 (roll to roll) 공정을 통하여 유연한 필름 위에 연속적으로 코팅이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 금속 나노선의 표면 거칠기에 의한 광학적 성능이 좋지 않다는 단점을 가지고 있다. 


탄소 기반의 플렉서블 디스플레이 전극 물질로 대표적인 것은 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene)이 있다. 탄소나노튜브는 우수한 기계적 성질과 비교적 높은 전기전도도를 가지고 있는 이상적인 재료로서 대량생산할 수 있는 공정의 개발과 분산성 향상 기술이 개발된다면 플렉서블 디스플레이용 투명전극으로 CNT 소재가 광범위하게 적용 가능할 것으로 예상된다.


그래핀은 2차원으로 이루어진 탄소원자가 벌집 모양으로 배치를 이루고 있는 탄소구조체를 말하며 상온에서 높은 전하이동도(~ 200,000 cm2/V)를 가지고 있는 동시에 매우 높은 광학적 투과도를 가지고 있어 투명전극 재료로서 가능성이 매우 높은 물질이다. 다만 대면적의 그래핀을 균일하게 만드는 공정이 현재로서는 한계를 가지고 있어 투명전극 응용을 위해서는 그래핀의 우수한 특성을 유지한 채로 대면적 필름을 생산할 수 있는 기술의 개발이 선행되어야 한다. 


전도성 고분자는 주 사슬이 불포화탄화수소의 구조인 이중결합과 포화탄화수소 구조인 단일결합이 교차하여 이들 형태가 반복되는 구조를 갖고 있으며, 이러한 구조에 도핑에 의해 전자 밀도가 비편재화되면서 전기전도가 일어나게 되는 물질이다. 일반적으로 전도성 고분자들은 에너지 밴드갭이 3 eV 이하여서 가시광선을 일부 흡수하는 성질을 가지고 있어 광학적 특성(광 투과도)이 좋지 않다. 또한 대기중에서 불안정하다는 단점을 가지고 있어 지금 당장 투명전극으로 응용하기에는 어려움을 가지고 있지만, 기계적 성질이 좋고 생산단가를 낮출 수 있다는 점에서 플렉서블 디스플레이 전극용 차세대 물질로 연구되고 있다. 


지금까지 플렉서블 디스플레이용 투명 전극으로 유망한 소재들에 대해 간략히 살펴보았다. 지난 9월 4일 삼성전자 고동진 IM부문장(사장)은 독일 베를린에서 열린 유럽 최대 가전 박람회 ‘IFA 2018’에서 가진 인터뷰에서 폴더블 폰의 개발이 거의 마무리되었다고 밝힌 바가 있다. 이러한 플렉서블 디스플레이의 산업적 가치와 요구를 볼 때 조만간 플렉서블 스마트폰 같은 전자 제품들이 실생활에 등장할 날이 머지 않은 것으로 보이며 주요 국가들간에서는 플렉서블 IT 기기를 선점하기 위한 무한 경쟁이 이루어지고 있다. 이러한 상황에서 우리나라에서도 끊임없는 연구 개발을 통해 부품 및 소재 원천 기술을 확보하기 위한 노력이 필요할 것으로 생각된다.

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