투명 전극 일체형 강화유리 및 터치센서 동향

오 영 진_ ExN Display 이사

1. 들어가며

우리 주변에 무수히 사용되고 있는 투명 전극이 있지만, 대부분의 사람들은 이에 대한 충분한 인지(認知)없이 이용하고 있다. 본 기고문에서는 이처럼 알게 모르게 생활 깊숙이 들어와 우리의 삶에 기술적 윤택함을 부여해주는 유리 베이스(base) 투명전극의 정의부터 시작하여 그 종류와 실생활에서의 응용되는 부분, 제작 방법과 향후 동향 등에 대하여 살펴보기로 한다.

2. 투명 전극의 정의

투명 전극이란 전기 전도도를 갖는 동시에 가시광선 또는 적외선 영역에서 빛을 투과하는 성질을 가지는 소재를 말한다. 과거 디스플레이 업체에 근무당시 알루미늄이 얇게 스퍼터링 된 글래스를 눈에 가까이 대고 보니, 일부 빛이 통과하여 알루미늄 뒤편의 사물을 볼 수 있었다. 하지만 일반적인 시야에서는 그냥 거울이었다.

투명 전극들을 겹쳐 놓은 모습

이처럼 명확한 조건이 없을 경우 무엇이 투명 전극인지 앞서의 정의가 모호하므로 여기에 정확한 투명 전극의 조건을 알아보겠다. 일반적으로 알려진 투명 전극의 조건은 가시광선 영역(가시광선 파장 영역 400~800nm)에서 광투과율이 80% 이상이어야 하며, 비저항(比抵抗, specific resistance)이 10-3Ω·㎝ 이하라야 하며, 밴드갭(band gap)이 3.3eV 이상의 조건을 만족하는 재료이다.

아무리 투명 전극이라 하더라도 계속 20%씩 투과율이 감소하면 결국 투명 전극이라 하기 어려울 정도로 투과율이 떨어짐을 볼 수 있다.
보통의 경우 대표적인 전도체인 은은 1.59v×10-8, 구리는 1.68×10-8이며, 반도체인 게르마늄의 경우 4.60×10-1이며, 대표적 부도체인 유리는 10×1010~1014이므로 투명전극의 전도도가 어느 정도인지 짐작 할 수 있다.

3. 투명 전극의 종류

투명 전극은 크게 산화물 투명 전극과 비산화물 투명 전극으로 나누어지며, 대표적인 산화물 투명 전극에는 ITO, ZnO, SnO2 등이 있으며, 비산화물 투명 전극으로는 탄소나노튜브와 그래핀 등이 있다.
ITO(Indium Tin Oxide)는 도전성을 가지는 산화인듐(In2O3)에 산화주석(SnO2)를 5~10wt% 첨가하여 더욱 더 도전성을 높인 물질을 말하는 것으로서 투명 전극 시장의 90% 이상을 차지 할 만큼 우수한 비저항과 높은 광투과율을 가지고 있으나 가격이 비싼 희토류인 인듐을 원료로 하기에 비싸다는 단점을 가지고 있다.
ZnO은 도펀트(dopant) 첨가시 낮은 비저항과 높은 광투과율을 가지며, 저비용으로 제작 할 수 있기는 하지만 산과 염기에 취약한 단점이 있어 실생활에 다양하게 적용하기에는 어려운 단점이 있다.
산화주석(SnO2)은 투명 전극으로 적합한 비저항과 광투과율을 가지고 있으며 제조단가 역시 저렴하여 대량생산이 가능하나, 장점이자 단점인 내식성 및 내마모성이 높아 가공 공정시 패터닝이 어려워 일부 한정된 범위에서만 적용이 가능하다는 점이다. 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, 통상 CNT)는 강철보다 100배 이상의 기계적 강도를 가지며 대면적 코팅 가능한 장점을 가지고 있으나, 아직은 다른 물질 대비 상대적으로 높은 면저항과 불순물 제어가 어렵다는 단점이 있으며 표면 거칠기가 높다는 추가 약점을 가지고 있다. 그래핀(graphene)의 경우 흑연에서 단층을 분리한 것으로 매우 높은 이동도로 낮은 면저항이 가능하고 우수한 유연성을 가지고 있으나 아직 초기 연구 단계로서 대면적 제작과 불순물 제어가 어렵다는 단점이 있다.

4. 투명 전극의 응용

그림6. 투명전극 사용 예 : TFT LCD 구조

그림7. 투명 전극 사용 예 :  OLED 구조

불투명이 아닌 투명 전극을 사용한다는 목적은 당연히 무언가를 보기 위한 것이 주 목적이 되며, 투명 전극의 주 응용 분야는 역시 디스플레이 분야라고 생각하면 된다. 유리에 투명 전극을 성막(Deposition)하여 사용하는 응용 제품에는 TFT LCD, OLED, 투명 디스플레이, 터치스크린 등이 대표적이다.
실생활에서의 TV, 모니터, 휴대폰 화면 등의 디스플레이에는 전부 투명 전극이 사용되고 있다고 보아야 하며, 스마트폰을 조작 하도록 하는 터치스크린에도 전부 투명 전극이 사용되고 있다. 향후 투명 전극이 사용될 것으로 보이는 유망 응용 제품군에는 완벽하게 투명한 디스플레이로써, 건물 유리창 혹은 벽 디스플레이와 자동차 창 디스플레이를 꼽을 수 있겠다.
현재까지는 ITO를 위주로 한 투명 전극 응용 분야의 발전이 있었다면 미래에는 그래핀 혹은 또 다른 물질의 개발로 인해 지금까지 상상에만 그쳤던 여러 놀라운 기능의 응용 제품에 쓰일 투명 전극이 개발되기를 기대해 본다. 이에 대해서는 잠시 뒤에 다루기로 하겠다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 2월호에서 확인 가능합니다.