기존 전극소재 ITO 대체효과, 전도성 고분자로 플렉시블 투명전극 만든다 대박이네

디지털 이노베이션(innovation)이라는 키워드에서도 알 수 있듯이, 우리는 디지털 방식으로 만들어진 무엇인가를 디지털 방식으로 소비하는 것에 익숙하다. 디지털이라는 단어가 일상에서 깊이 파고들면서 우리가 일하는 방법, 공부하는 방법, 노는 방법, 커뮤니케이션 방법 등, 삶의 방식을 변화시키는 디지털 혁신을 이루는 핵심 기술 중 하나라도 나쁘지 않은 것이 디스플레이(display) 분야다. 디스플레이는 다양한 정보를 인간이 눈으로 볼 수 있도록 화면에서 구현하는 영상표시장치다. 스마트폰, TV 등 IT 기기는 물론이고 우리가 쓰는 전자제품 중 상당수가 눈으로 정보를 제공하는 화면을 갖고 있다. 디스플레이는 스마트폰의 등장과 함께 스마트 시대가 본격적으로 시작되면서 오랫동안 사용해 온 브라운관에서 CRT가 나쁘지 않고 LCD를 넘어 최근에는 OLED까지 효율적이고 내구성이 있는 장치로 발전을 거듭하고 있다. ​ 특히 20일 9년 최고의 화두로 떠올랐다 폴더블(foldable)이 기존 스마트 폰 시장에서 큰 변화를 예고하는 중심 폴더블과 함께 화면을 빙글빙글 이에키아 사용할 수 롤로불(rollable), 그리고 쭉쭉 항상오 나쁘지 않아는 성질을 가지스토우레쵸불(stretchable)까지 더 얇고 가볍고 휴대가 가능하며 우수한 성능을 가진 디스플레이가 TV, 스마트 폰 등에 활용되고 있다. 폴더블폰이나 롤러블TV처럼 접을 수 있을지 신경 쓰지 않고 둘이서 이야기할 수 있는 디스플레이 장치가 바로 플렉서블 디스플레이다. ​​

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플렉서블 디스플레이는 특성 손실 없이 제 기능을 발휘할 수 있도록 유연한 재료를 사용한 디스플레이 장치다. 플렉시블(flexible)은 '휘어지기 쉽다'는 뜻의 단어로 구부러지거나 고이 접을 수 있는 스토리 그대로 유연하게 휘어지는 디스플레이를 말합니다. 디스플레이가 플라스틱 화학기술과 결합해 기존의 딱딱한 사각형 틀에서 벗어나 나쁘지 않기 때문에 커브드, 벤데드, 폴더블, 롤러블, 그리고 고무처럼 항상 나쁘지 않은 스트레처블(stretchable) 디스플레이까지 등장하고 있다.종래의 CRT, LCD, PDP 디스플레이는, 모두 딱딱한 기판상에서 실현하는 것이기 때문에, 곡면에서 디스플레이로서 사용하는 것은 불가능했다. 이런 단점을 보완해 나쁘지 않았던 것이 플렉서블 디스플레이였다.유리기판 대신 구부러지기 쉬운 플라스틱을 사용해 LCD 혹시 OLED(전기를 흐르면 스스로 발광하는 유기물질을 이용한 유기발광다이오드)를 구현한 것이었다. 유리 대신에 플라스틱이 나쁘지는 않아 금속 박막을 기판으로 사용하려면 무엇보다 기존 디스플레이에 비해서 두께가 1/5로 감소하고 휴대가 간편하고 쉽게 휠 수 있는 게 장점이었다 플렉시블 디스플레이는 그 휘어진 정도로 " 깨지지 않는(Unbeakable)"," 돌(Curved)"," 둥근 말(Rollable)"," 접을 수 있다(folable)"의 4단계에서 쉽게 누른다. 물론 현재 4단계 플루 렉시불디스프레ー의 구현이 가능한 스마트 폰이 출시되었으나 완전 상용화를 위해서는 일정 시간이 더 필요한 바 있다. ​ 최근 뉴욕에서 열린 2020의 크루즈 쇼에서 브랜드가 플렉서블 디스플레이를 장착한 핸드백을 선 보이며 주목을 받고, 화장지처럼 빙글빙글 이에키리은 롤로불 TV는 직사각형으로 고정된 디스플레이의 틀을 깨는 계기가 됐다. 이처럼 플렉서블 디스플레이에 대한 관심이 높아 육지서, 투명전극의 핵심 부품인 차세대 투명전극 개발 경쟁이 갈수록 치열해지고 있다. ​​

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TV와 스마트폰 터치패널 등 각종 IT기기의 디스플레이에는 빛은 너희에게 투과시키면서 전기를 잘 다니게 하는 투명전극이 들어간다. 투명전극은 매트릭스 방식으로 구동되는 PDP, LCD 등 박막 형태의 핵심 부속으로 투명전극의 소재는 가장 보편적으로 인듐 주석산화물(Indium Tin Oxide이하 ITO)이 사용된다. 매트릭스 구동 방식은 기본적으로 다수의 횡전극과 다수의 종전극을 모기장처럼 배치하여 가로 몇 번째, 세로 몇 번째 전극에 신호를 주고 그 위치의 셀이 발광하도록 하는 원리로 투명하고 전기전도도가 높아 많이 쓰였다. 하지만 ITO는 구부러지거나 구부러졌을 때 쉽게 망가지는 단점을 갖고 있다. 이러한 귀추로 대한민국 생산기술연구원(이하 생희망)이 플렉서블 투명전극 소재로 각광받고 있는 전도성 고분자에 레이저를 연구하여 ITO 전극 수준만큼 전기 전도도를 높일 수 있는 물리적 방식의 공정기술을 개발하였다. 전도성 고분자는 고분자 본연의 특성인 가볍고 가공이 용이한 장점을 유지한 채 전기를 통하는 플라스틱 소재의 일종으로 형태 변천이 자유로운 고분자 특성상 압력을 가해도 잘 깨지지 않고 휘어질 수 있어 플렉서블 디스플레이에 적합하다. 또한 가벼운 특성 때문에 화학, 물리학 분야뿐만 아니라 광범위한 산업적 응용이 가능하다. 사건은 ITO과 비교했을 때 전기 전도도가 한 000분의 한 수준에 불과하기 때문에 이를 높이기 때문에 유기 용매, 계면 활성제 등 화학 첨가제를 사용하는 친환경 공정의 개발이 어려운 전기 전도도도 ITO의 수준에 미치지 않고 상용화에 어려움이 있었다. ​ 그러나 삶의 희망 나노·그와은융하프 기술 그룹 윤 창훈 박사 연구 팀이 대표적 전도성 고분자인 'PEDOT:PSS'투명 전극에 일 064㎚의 파장대의 적외선 레이저를 연구하면 전도도가 약 한, 000배 가량 높아지고 있는 물리적 현상을 발견하고 공정에 적용한 것이었다. PEDOT : PSS 투명전극은 전도성이 있는 PEDOT를 PSS(Polystrene Sulfonate)가 전선 피복처럼 둘러싸고 있는 실타래 형태의 고분자 박막으로, 전기 전도도를 높이려면 PSS를 최대한 녹여 PEDOT끼리 서로 연결되도록 해야 한다. 이 용액에 일, 064㎚ 레이저를 쏘면 PEDOT가 열을 가장 아프소소 흡수하고 온도가 올라가고 이때 놓고 PSS가 전선 피복이 녹듯 녹아 버리고 PEDOT가 다량으로 받고 전도도가 높아질 것이었다.​​

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"유기발광다이오드(OLED)에 레이저를 쐬면 발광도가 떨어지는 현상을 조사하던 중 대동소이물질인 전도성 고분자에 레이저를 조사했더니 생각과는 달리 전기저항이 떨어지는 현상을 발견했습니다" 윤창훈 박사는 공정기술을 개발한 계기를 설명하며 "개발된 공정기술은 플렉서블 디스플레이는 물론 사용자 맞춤형 웨어러블 기기, 폴더블 태양광패널 제작 등 폭넓게 활용 가능하다"고 덧붙였다.전도성 고분자를 이용한 공정 기술은 기존의 화학적 방식에서 칭거과의 레이저를 활용한 물리적 처리 방식으로 ITO 박막 수준의 전도도를 실현한 세계 최초의 사례다. 이미 상용화된 PEDOT:PSS용액과 1,064㎚의 파장대의 레이저 장비를 활용하는 후처리 공정을 위한 구현이 간소했다. 또한 제작비용이 저렴하여 PEDOT : PSS 용액은 국내 조달이 가능하다. 그래서 대해서도 의존도가 70%에 달하는 기존의 전극 소재 ITO을 대체하고 투명 전극 분야의 소재 자립화를 기대하게 됐다. 이 밖에 전도성 고분자용액을 기판에 바른 뒤 레이저를 조사할 때 패터닝(Patterning) 작업까지 동시에 가능해 투명전극에 원하는 패턴을 새기면서도 쉽고 빠르게 제작할 수 있다는 장점이 있다. ​생 염원의 전도성 고분자를 이용한 플렉시블 투명 전극의 조사 성과는 지난 9월 영국 왕립 화학회(Royal Society of chemistry, RSC)가 발행하는 재료 분야의 세계적 권위'·마테리알호라이쥬은스(Materials Horizons)'온라인 판에 게재됐다.

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