플렉시블 투명 기기에 적용을 위한 차세대 투명 전도성 소재

최 지 원_ 한국과학기술연구원 전자재료연구단 책임연구원

조 윤 호_ 한국과학기술연구원 전자재료연구단 학생연구원

장 주 희_ 한국과학기술연구원 전자재료연구단 학생연구원

1. 서 론

과학기술이 급속하게 발전해 나감에 따라 통신기기, 컴퓨터, 모니터, TV 등과 같은 전자기기들이 경량화, 소형화 되어가고 있으며, 최근에는 유연성 및 투명성을 갖춘 기기들이 개발 되고 있다. 태양전지, 트랜지스터, 터치패널, 디스플레이 등의 기술을 종이처럼 얇고 유연하며 휘거나, 구부리거나, 말 수 있는 플렉시블(Flexible) 형태로 구현하기 위해서는 PI(Polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), FRP(Fiber Reinforced Plastic)과 같은 유연한 기판 위에 투명하면서도 유연성을 갖는 투명 전극을 사용해야 한다. 유연 기판 위에 형성 된 전극은 가시광선 영역에서 우수한 광 투과도와 전기 전도도를 가져야 한다. 최근 디스플레이 기술이 발전하면서 플렉시블 디스플레이(Flexible Display) 와 투명 디스플레이가 접목되어 디스플레이 산업이 새로운 성장국면에 진입하고 있기 때문에 그에 따른 우수한 전기적, 광학적 특성을 가지는 투명전극의 수요 또한 증가하고 있다.
투명 전극은 비저항이 1×10-3 Ωcm 이하, 면저항이 103 Ω/□ 이하로 전기 전도성이 우수하고 380에서 780 nm의 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상이라는 두 가지 성질을 만족시키는 박막을 의미한다[1]. 전자 부품으로 LCD 전면 전극, OLED 전극 등 디스플레이, 터치스크린, 태양전지, 광전자 소자 등 전자분야에 광범위하게 사용되는 소재이다. 차세대 투명 전극으로 사용 가능한 소재로 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene), 투명 전도성 산화물(TCO, Transparent Conducting Oxide), 은나노와이어(Silver Nanowire), 전도성 고분자(Conducting Polymer) 등이 연구 되고 있으며, 미래 디스플레이 산업의 성장과 함께 기존의 투명 전극 소재들의 단점을 보완 할 수 있는 투명전극 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2. 본 론

현재 산업에서 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)이 거의 모든 평판디스플레이의 주요한 전면전극 소재로 가장 보편적으로 사용되고 있지만, ITO를 대체하고자 하는 기술 개발이 경쟁적으로 진행되고 있다. 먼저, ITO 전극을 형성할 때 필요한 인듐(Indium)의 영향이 크다. 값이 비싼 인듐을 주성분(약 90에서 95%)으로 하고 있는 것에 비해 인듐이 희귀 금속이기 때문에 매장량의 한계가 있고, ITO의 수요가 증가하고 있지만 최근 중국 정부의 인듐 생산량 제한까지 겹치면서 가격이 가파르게 상승하고 있다는 단점이 있다. 이외에도, 대면적을 구현하거나 플렉시블 디스플레이를 구현하는데 한계도 있다. 플렉시블 디스플레이 시대에서도 터치 디스플레이 기능은 기본으로 장착될 것이다. 그러나 센서 소재는 ITO만으로 대응하기에는 한계가 있다. 증착 시 고온, 고압의 공정이 필요하며 유연하지 못한 소재이기 때문에 유연 소재로서 응용이 힘들다는 한계점을 가지고 있다[2]. 특히 폴더와 같이 반복적으로 접히는 차세대 기기들의 경우는 더욱 대체의 필요성이 대두된다.
이에 따라 수년 전부터 국내외 터치 패널 업계에서는 터치스크린 원가의 약 25~40%를 차지하는 ITO 전극 소재를 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube), 그래핀(Graphene), 투명 전도성 산화물(TCO, Transparent Conducting Oxide), 전도성 고분자(Conducting Polymer), 은나노와이어(Silver Nanowire), 메탈메쉬(Metal Mesh) 등으로 대체하려는 시도가 적극적으로 이루어지고 있다.

2.1 그래핀(Graphene)

그래핀(Graphene)이란 탄소원자가 벌집모양의 육각형의 결정을 가진 탄소의 2차원적인 동소체를 의미한다. 그래핀은 구조적으로 지난 20여 년간 많은 관심을 가져온 탄소나노구조체의 기본구조로, 층층 쌓기를 하면 3차원구조의 흑연이 되고, 원기둥모양으로 말면 1차원 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)가 되고 구 모양으로 말면 플러렌(Fullerene)이 된다. 상온에서 quantum hall effect가 나타나며, 이동도가 200,000 cm2/V.s 의 매우 높은 전도도를 가지고 있고, 기계적 물성, 열전도도, 두께 등 ITO 박막 보다 우수한 성질을 갖고 있어 기존의 투명전극 재료를 대체 할 수 있는 잠재력이 매우 높은 재료이다[3].
가장 널리 알려진 그래핀 제조 방법 중 하나인 접착테이프 법은 접착 테이프를 이용하여 흑연 단일층을 떼어내는 방법으로 영국의 Geim과 Novo-selov 연구진이 개발하였고, 구조적으로 우수하며 큰 결정을 제공한다는 장점이 있으나, 대량생산시 최종 수율이 매우 좋지 못해 실용성이 떨어진다. 따라서 그래핀의 우수한 성질을 이용한 소자를 만들기 위해서는 그래핀의 특성을 유지하면서 대면적의 필름을 생산할 수 있는 방법의 연구가 필요하다.
2009년 삼성 종합기술원과 성균관대에서 Nature지를 통해 대면적 그래핀을 제조할 수 있는 방법을 게재하였다. 이 방법은 그래핀 성장에 필요한 Ni층을 만들고 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 그래핀을 형성한 후 전사하는 방식을 통해 제작을 한다. 이 방법을 통해 제작한 그래핀 투명전극 필름은 면저항 280 Ω/□, 80% 투과율을 보고하였다.  또한 2010년에는 Roll-to-roll 공정을 통해 30 inch 의 그래핀 투명전극 필름을 제조하였는데 125 Ω/□의 면저항과 97%의 투과율을 보고하였다[4]. 이는 Roll-to-roll공정으로 그래핀의 대면적 생산의 가능성을 열은 것으로   우선적으로 추진하고 있는 응용분야는 투명 전도막인 ITO를 대체할 수 있는 재료로서 그래핀을 적용하는 것이다[5,6].
산업통산자원부는 그래핀 응용 터치패널 기술개발에 투자를 하고 있다. 개발방향은 그래핀 ‘합성분야’와 ‘그래핀 응용분야’로 나뉘는데 우선 디스플레이와 복합소재 분야의 2개 그래핀 소재(대면적 그래핀, 그래핀 나노플레이트릿)을 개발하고, 동 소재를 적용한 터치패널, OLED 패널, 전자파 코팅제, 고내식 코팅제, high barrier 복합필름 등 5개의 응용제품도 개발할 예정이다.

2.2 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)

그래핀보다 먼저 발견된 소재인 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube)는 탄소원자들이 육각형 고리 모양으로 벌집모양을 형성하여 튜브형태로 존재하는 나노소자로서, 튜브의 지름이 대략 수 나노미터(nm)의 원통 모양을 이루고 있기 때문에 나노튜브라고도 한다.
탄소나노튜브가 큰 주목을 받은 이유는 강철보다 우수한 기계적 강도를 가지면서 강철보다 유연성이 좋아 잘 휘어지는 특성을 가지고 있기 때문이다. 또한 튜브의 속이 비어 있어서 강철보다 무게가 훨씬 가볍다. 전선으로 주로 사용하는 구리보다 열전도율이 천 배 이상 높고 구리전선은 얇게 만들수록 열이 발생하는 문제가 있는데 반해, 열을 잘 방출하는 탄소나노튜브는 전기를 안정적으로 전달 할 수 있다. CNT의 종류에는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single Wall Carbon Nanotubes), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT, Double Wall Carbon Nanotubes), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, Multi Wall Carbon Nanotubes)가 있으며, 튜브의 지름과 형태에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되기도 하는 성실을 가지고 있고, 박막의 두께를 조절하면 전기적 특성인 면저항 값을 조절할 수 있어 플렉시블 투명전극으로 관심을 받았다[7].
현재 양산되는 CNT 필름 전극 대부분은 80%의 투과도[8](그림 8)와 약 200~500 Ω/□ 수준의 면저항을 나타내고 있으나, 미국 Eikos사에서는 가시 영역대에서 투과율 90%에 면저항 200 Ω/□ 정도의 SWCNT를 개발해 invisiconⓇ이라는 이름으로 투명전극을 개발하여 출시하였다.
하지만 이러한 탄소나노튜브를 산업기술로 적용하기 위해서는 나노튜브를 각각 분리해 내는 CNT분산기술이 필요한데 CNT의 크기가 매우 작아 서로 뒤엉켜 뭉쳐있는 형태로 존재하기 때문에 분리하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다[9]. 탄소나노튜브가 가지고 있는 장점을 잘 활용하고 분산기술을 개발하여 대량생산을 구현 할 수 있는 기술이 연구개발 된다면 탄소나노튜브가 투명전극의 소재로써 광범위하게 적용 될 수 있을 것으로 예상된다.

2.3 은나노와이어(Silver Nanowire)

금속 중에서 가장 전도성이 좋은 것은 은(Ag, Silver)이다. 은의 나노입자표면은 여러 가지 결정면으로 이루어져 있고 이들의 반응성의 차이를 이용하여 이등방성 성장을 유도해서 길쭉한 와이어형태를 만들 수 있다. 은나노와이어는 밀도를 조절하여 다양한 면저항(15~100 Ω/□)을 구현할 수 있지만 면저항이 낮아질수록 은나노와이어의 밀도가 증가하여 투과도가 낮아지는 단점을 가지고 있다. 이러한 특성들을 바탕으로 우수한 광학적 특성, 유연성과 높은 전도성을 가지는 은나노와이어는 투명 전도체로 사용하여 플렉시블 디스플레이에 적용 할 수 있는 잠재력이 매우 큰 물질로 각광 받고 있다[10].
일본 Toray Industry도 Cambrios잉크를 도입하여 필름 가공기술을 조합하여 새로운 투명 전도 필름을 제조하였다. Toray Industry는 나노 레벨의 코팅 두께 제어 기술, 습식법에 따르는 다층 적층 기술과 각 유저의 가공 프로세스에 적합한 제품 설계 제안 기술을 보유하고 있다. 스퍼터링법 등의 진공 프로세스를 필요로 하는 ITO 필름에 비해 대량 양산화의 측면에서 유리하고 높은 투명 전도성, 유연성, 시인성이 뛰어나 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿 PC 등에 탑재되는 터치 패널에 적용 가능하다. 또한 대화면 터치 패널에 요구되는 낮은 저항 구현이 가능하고, 향후 3차원 형상의 터치 패널이나 태양전지, AMOLED용 전극 등에도 적용 가능성이 있다.

더 자세한 내용은 세라믹 코리아 1월호에서 확인하실 수 있습니다.