디스플레이에 적용될 수 있는 다층 그래핀

터키 연구진은 그래핀만으로 구성된 새로운 전기 변색 소자(Electrochromic device)를 만드는데 성공했다.

전기 변색 소자는 전압의 인가로 빛의 투과를 조절할 수 있기 때문에 액정 디스플레이의 강한 경쟁자로 각광을 받고 있다. 그러나 낮은 비용과 기계적 유연성 등의 장점에도 불구하고, 깨지기 쉬운 재료와 전극과의 재료 불일치로 인해서 디스플레이 기술에 이것을 적용할 수 없었다. 현재, 이번 연구진은 그래핀으로만 만들어진 전기 변색 소자가 55%의 변조와 광범위한 스펙트럼 반응을 가진다는 것을 증명했는데, 이것은 스마트 윈도우와 디스플레이를 위한 우수한 후보자가 될 수 있게 한다.

“우리의 시스템의 경우에, 전극은 그래핀이고, 색상 변화는 그래핀 속에서 발생한다.” 라고 빌켄트 대학(Bilkent University)의 Emre Polat 박사가 설명했다. “전기 변색 소자에 그래핀을 적용한 많은 연구들이 존재하지만, 대부분의 연구는 그래핀을 전극에만 사용했는데, 이번 연구진은 전기 변색 재료로서 그래핀을 사용했다.”

전기 변색 소자들은 높은 명암비(contrast ratio) 간에 주로 균형을 가지는 경향이 있는데, 이것은 강한 광학적 흡수와 폭넓은 스펙트럼 반응을 필요로 한다. 그러나 이번 연구팀의 장치는 자외선에서 적외선까지 높은 수준의 광 변조 및 광 조절 특성을 가진다. 또한 그래핀만으로 만들어진 시스템은 재료의 불일치를 제거할 수 있고, 우수한 전기 전도성을 가지며, 기계적으로 유연하다.

이번 연구진은 유리와 석영 기판 위에 단일 층 그래핀의 약 2 ~ 3 %의 광 변조를 증명했지만, 이것은 그래핀의 광학적 흡수를 제한하였고, 실제 적용에 충분히 높은 명암비를 생성할 수 없었다. 그래핀 층을 증가시키기 위한 시도는 단단한 기판 위의 증착 프로세스가 다층 그래핀과 이것의 전기 변색 특성에 손상을 끼칠 수 있기 때문에 문제가 되었다.

이번 연구진은 니켈과 구리 호일 위에 다층 그래핀을 제조하고 단지 120 ℃의 PVC로 적층을 만들었다. 그들은 PVC 위의 두 개의 그래핀 박막 사이에 전해질 액체를 삽입했고, 55%까지 변조를 달성했다. “우리는 많은 변화를 기대하지 않았다. 우리는 석영과 유리 기판이 유사한 결과를 가질 것이라고 생각했다.” 라고 Polat가 말했다.

Polat는 빌켄트 대학의 Coskun Kocabas와 Osman Balci와 함께 그래핀만으로 만들어진 전기 변색 소자를 고안했다. 이전에, 이번 연구진은 화학적 산화가 전기 변색 효과의 원인이라고 생각했다. 그러나 이것은 전압을 인가한 후에 저항을 증가시키는데 반해서, 이 실험들은 저항의 감소를 증명했다.

이번 연구진은 도핑이 단일층 그래핀 속의 밴드 간 전이를 차단할 수 있다는 이전 연구를 알게 되었다. 그러나 전해질 이온들이 다층 그래핀 표면에 도핑되었지만, 이것은 재료 전체에 걸쳐서 발생하는 높은 수준의 광학적 변조를 설명할 수가 없었다. 실제로, 라만 연구들은 특정 임계 전압 이상에서 전해질의 도펀트가 그래핀 속의 각 층 속에 삽입되었다는 것을 밝혀내었다. “각 층은 2-3%를 흡수하고, 10 개의 층들은 20%의 변조를 허용하고, 우리는 그래핀 두께에 의한 초기 흡수를 제어할 수 있었다.” 라고 Polat가 말했다.

이런 아이디어를 증명하기 위해서, 이번 연구팀은 반사율 장치를 만들었고 전압을 인가했다. “그래핀은 투명하고 이것은 재구성 가능한 미러 또는 스마트 창으로 사용될 수 있다.” 이 시스템은 상당히 간단하고 쉽게 확장될 수 있다. 장치의 on/off를 100 번 전환하는 것은 어떤 손상도 발생시키지 않는다. 하지만 고주파수 전환 또는 장기간 동안의 장치 작동은 성능에 일부 저하를 발생시킬 수 있다.

이번 연구진은 시스템을 더 작게 만들기 위해서 고체 전해질 겔과 유사한 장치들을 만들 계획을 현재 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 Scientific Reports에 “Graphene based flexible electrochromic devices” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/srep06484).

플렉서블 기판 위의 다층 그래핀의 합성 및 특성 평가.                

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 디스플레이에 적용될 수 있는 다층 그래핀