모니터가 종이의 영혼을 붙잡다..'두루마리 디스플레이'

[아시아경제 김수진 기자]그래핀(graphine)은 여전히 과학계의 '화두'다. 한국과학기술단체 총연합회는 2010년 한 해 과학기술계 최고 뉴스로 '그래핀 분야 한국 연구성과 두각'을 꼽았다. 최근 교육과학기술부가 선정한 '100대 유망 연구분야'중 물리 영역에도 그래핀은 빠지지 않았다.

특히 한국은 그래핀 상용화 연구에서 세계적인 우위를 점유하고 있다. 디스플레이나 반도체 분야에서 세계적으로 인정받는 만큼 그래핀을 활용해 차세대 디스플레이 및 반도체를 생산하기 위한 연구가 활발하다.

▲'꿈의 신소재' 그래핀 무엇일까
그래핀은 탄소들이 벌집 모양의 격자 구조를 이루면서 만들어진 2차원 구조체다. 흑연(graphite)에서 아주 얇은 한 겹을 떼어낸 것이라고 생각하면 쉽다. 흑연은 탄소를 6각형 벌집 모양으로 수없이 쌓아올린 3차원 구조인데, 그래핀은 여기서 단 한 층만을 분리해낸 것이다.

그래핀의 이름 역시 흑연에서 유래했다. 원래 그래핀은 안정적인 상태로 존재할 수 없는 것으로 알려져 왔으나, 2004년 영국 맨체스터 대학의 앙드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 연필심에 스카치 테이프를 붙였다 떼는 간단한 방식으로 분리에 성공한다. 두 교수는 이 성과로 2010년 노벨물리학상을 수상했다.

그래핀의 두께는 0.2나노미터(nm)로 놀랄 만큼 얇다. 1nm는 10억분의 1m로, 0.2nm는 100억분의 1m다. 전자 이동속도가 빠른 것은 물론 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 강도도 다이아몬드의 2배 이상으로 휘거나 비틀어도 부서지지 않는다. 신축성이 좋아 늘리거나 접어도 전기 전도성이 유지된다. 손영우 고등과학원 계산과학부 교수는 "그래핀은 우주에서 가장 얇고 강한 물체"라며 "실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시킨다"고 설명했다.

이 때문에 그래핀은 차세대 반도체와 디스플레이 등의 산업 분야에서 무궁무진한 가능성을 지닌다. 지금까지 디스플레이를 만드는 데 쓰이는 실리콘 등은 늘리거나 구부릴 때 전기전도성을 잃고 파손되지만 그래핀은 변형에 강하고 전기전도성도 높다. 게다가 빛을 98% 이상 투과시킬 만큼 투명하다. SF영화 속에서 주인공이 조작하는 투명한 스크린 같은 디스플레이도 그래핀으로 만들 수 있는 것이다. 다른 물질과 결합시켜 강도나 전기전도성을 높일 수도 있다. 과학계가 그래핀 연구에 몰두하는 이유다.

▲국내 연구 상황은
"2004년 발견된 그래핀이 단기간에 노벨상을 수상할 수 있었던 데는 한국 역할이 컸던 것으로 평가된다. 상용화 가능성을 맨 처음 보여준 곳이 한국이었기 때문이다."

백종범 UNIST 교수의 말이다. 실제로 한국은 그래핀 상용화 연구에서 가장 앞선 축이다. 반도체와 디스플레이 산업 규모가 커 기업의 관심도 높고, 관련 연구도 많이 이뤄지고 있기 때문이다.

국내 그래핀 연구를 주도하고 있는 것은 삼성전자와 성균관대다. 성균관대 나노과학기술원 홍병희 교수와 삼성전자종합기술원 최재영 박사팀은 2009년 반도체 공정에 적용할 수 있는 지름 10cm 크기의 대면적 그래핀 합성기술을 세계 최초로 개발했다. 그래핀을 넓은 면적으로 만드는 기술은 그래핀을 전자소자나 디스플레이에 응용하는 데 가장 핵심적인 기술로 지목돼왔다. 그만큼 홍 교수팀의 성과는 '쾌거'로 인정받았다. 논문을 게재한 네이처지도 "입을 수 있는 컴퓨터 등 플렉서블 전자소자 가능성을 앞당겼다"는 평가를 내렸다.

이어 홍 교수팀은 2010년 30인치(762㎜) 크기의 그래핀 투명전극을 개발하는 데 성공했다. 역시 세계 최초다. 손목에 찰 수 있는 컴퓨터나 둘둘 말 수 있는 전자책 등 그래핀 상용화에 한 발짝 가까이 다가선 것이다. 홍 교수팀은 이를 이용한 플렉서블 그래핀 터치스크린도 선보였다. 그래핀 투명전극은 기존 터치스크린에 사용되는 인듐 투명 전극을 대체할 것으로 전망되고 있다.

그래핀은 높은 투명성과 유연성 등 다양한 장점을 지녀 차세대 디스플레이 시장을 열 신소재로 크게 주목받고 있다.

지난 4월에는 홍 교수팀과 포스텍 조길원, 김광수 교수 공동 연구팀이 그래핀을 유기박막 트랜지스터 전극으로 활용할 수 있는 기술을 개발했다. 유기박막 트랜지스터는 차세대 투명 플렉서블 디스플레이 구현에 필수적인 기술이다. 지금까지는 트랜지스터 속에 들어가는 전극 소재의 투명도가 낮고 전기전도도 떨어지만 그래핀을 활용하면서 투명도와 전도도 문제를 해결했다. 포스텍 조길원 교수는 "이 트랜지스터를 모니터나 기능성 창 등에 다양하게 활용할 수 있다"고 말했다. 영화 터미네이터를 보면 터미네이터가 쓰고 있는 안경 안쪽으로 각종 정보가 흐르듯이 떠오른다. 이런 것이 그래핀을 활용한 기능성 창이다. '과장'으로 여겨졌던 미래 신기술을 앞당기는 연구가 실제로 이뤄지고 있는 셈이다.

그래핀을 이용하면 종이처럼 접는 디스플레이도 가능할 것으로 전망된다.

성균관대 화학과 이효영 교수 연구팀은 상온에서 고품질 그래핀을 대량생산할 수 있는 방법을 발견해 주목받았다. 현재까지 그래핀 생산 방법은 스카치테이프 방법, 화학증착법(CVD), 실리콘 카바이드 절연체를 이용한 에피택셜(Epitaxial) 방법과 환원제를 통한 화학적 방법이 있다. 이 중 대량생산을 할 수 있는 것은 하이드라진 환원제를 이용하는 방법인데, 섭씨 120도의 고온에서 이뤄지고 질소 불순물이 남는다는 단점이 있었다. 이 교수 연구팀은 요오드산을 이용해 섭씨 40도의 상온 공정에서 불순물이 없는 그래핀을 합성하는 데 성공했다. 이렇게 만들어지는 그래핀은 구조재나 복합재료로 활용된다.

아직 순도를 비롯해 그래핀 상용화에 남은 숙제는 있다. 그러나 학계에서는 10년 정도 지나면 곧 그래핀을 응용한 전자기기 시장이 열릴 것으로 보고 있다. 연구가 상당부분 진척된 그래핀 투명전극 분야는 그 중 가장 빨리 상용화될 것으로 예상된다. 한국생산기술원에서는 2015년 그래핀 투명전극 시장이 6조 6000억원 규모에 달할 것으로 내다보고 있다.

김수진 기자 sjkim@