웨어러블 기기 제조에서 최대 걸림돌은 유연하면서도 투명한 전극을 개발하는 일이다. 국내 연구진이 그래핀 소재로 잘 휘면서도 주변 환경에 따라 카멜레온처럼 색이 변하는 투명 전극을 개발했다.

27일 한국전자통신연구원(ETRI)에 따르면 이 연구원이 개발한 전기변색 투명 전극은 그래핀 물질을 4개 층으로 층층이 쌓아 만들었다. 

흑연은 탄소원자가 벌집처럼 육각형 그물 모양으로 배열된 평면들이 층층이 쌓인 구조인데, 이 흑연의 한 층이 그래핀이다. 0.2nm 두께로 물리·화학적 안정성이 매우 높다. 전기전도성이 구리의 100배, 전자이동성이 실리콘의 100배 이상이다. 또 강철보다 200배 이상 강하면서도 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. 이 같은 특성으로 휘거나 투명한 디스플레이, 웨어러블 소재로 알맞다.(네이버 지식백과) 

웨어러블 기기에 들어갈 전극은 전기 전도성이 좋아야 하고, 투명 기판 위에 올렸을 때 빛도 잘 투과할 수 있어야 한다. ETRI 연구팀은 이 같은 조건을 만족하는 전극 개발을 위해 종이 두께 보다 100만배 얇은 그래핀을 층층이 쌓아나갔다. 

그래핀 한 층이 올라간 열전사 필름을 160℃ 고온에서 라미네이팅 과정을 거쳐 그래핀을 전사시켰다. 전사 공정을 통해 6층까지 적층하는 데 성공했다. 이어 폴리머 계열의 전기 변색물질을 올려 샌드위치 구조의 소자로 만들었다.

연구 결과, 그래핀 전극은 4개 층일 때 기능이 가장 뛰어난 것으로 확인됐다. 이때 전기화학적 안정성이 가장 좋았고, 90% 이상의 높은 투과도를 유지했으며, 변색 속도도 빨라 0.5초만에 색이 달라졌다.

연구팀은 이 같은 과정을 거쳐 두께 2mm, 2x3cm 넓이 전기변색 투명소자를 제작했다.

전극의 쓰임새는 폭넓다. 스마트 창, 자동차용 룸미러 등 에너지 절감 소자로 적당하다. 또 카멜레온처럼 주변 환경에 따라 색이 자동으로 빠르게 변하므로 군복슈트 소재로도 좋다. 사이니지나 실외용 광고, 디스플레이에 적용되는 정보표시 소자에도 쓰일 수 있다. 

연구진은 향후 사이즈를 키우는 대면적화을 통해 웨어러블 기기에 적용되도록 할 계획이다. 또 후속연구를 통해 잘 휘는 디스플레이 기술을 개발해 TV, PC, 스마트폰 등 각종 전자 기기에 적용토록 할 방침이다.

김태엽 ETRI 실감디스플레이연구그룹 프로젝트 리더는 이번 연구에 대해 "그래핀을 활용한 색상 및 열 가변 소자를 개발을 통해 군화, 방탄모, 위장복 등을 플랫폼화 함으로써 적으로부터 아군을 보호하는 카멜레온 위장 기술로 발전시킬 계획"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 정보통신기술진흥센터(IITP)와 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원(KEIT)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과를 담은 논문은 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 지난 2일자에 실렸다. 논문의 제1저자는 ETRI 김주연 박사이며, ETRI 김태엽 박사와 황치선 그룹장, 조남성 그룹장 등이 함께 참여했다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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