Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(1)
광소재 세라믹 최신 기술 동향 및 산업전망

최원국_한국과학기술연구원 책임연구원

세라믹 소재는 그 응용 기술 범위에 따라 광·전자, 기계.구조, 에너지.환경, 바이오, 그리고 융.복합 세라믹등 5개 소재분야로 분류한다. 이 중 광.전자 세라믹은 유전체, 압전체, 반도성, 자성체, 초전도, 절연성 세라믹 소재와 그 응용인 센서 소재 그리고 광단결정 소재 등의 8개 기술로 분류할 수 있다. 본고에서는 광·전 세라믹 중 디스플레이용 투명전극과 박막형 트랜지스터(thin film transistor: TFT), 발광용 나노 세라믹 소재를 중심으로 최신 기술 동향과 산업에 대하여 전망하고자 한다.

I. 광소재용 세라믹 기술동향

1. 디스플레이용 세라믹 소재
1.1 투명전극용 세라믹 소재
투명 전극 산화물 (transparent conducting oxide(TCO)) 세라믹 소재로는 In2O3 산화물의 In 자리를 Sn이 치환된 ITO(In-Sn-O)가 가장 대표적으로 사용되어 왔으나, In의 제한적 사용에 의한 고비용과 인체 독성 문제, 낮은 변형률(2~3%) 극복을 위한, 미래 유연 전자(flexible electronics)에 적합한 신규 소재의 개발이 요구되고 있으며, 산화물 반도체와 탄소계 세라믹, 금속 나노선, 전도성 고분자, 금속 (탄소계)-전도성 고분자의 복합체 등이 주로 연구되고 있다.[1] 이중 투명 전극 세라믹 소재로 동종의 TCO 소재로는 친환경 ZnO와 SnO2 계열의 연구가 활발하다. III-족 원소 도핑을 통해 밴드갭, 투명도, 전도도 등의 조절이 자유로운 ZnO는 In, Ga 대신 Al이 도핑된 Al:ZnO(AZO)가 가장 대표적이며, 기판과의 화학적 결합에 의해 성장되는 SnO2의 경우 고온과 화학적 안정성이 요구되는 소자를 위해 연구되고 있다. 또한 Ta 또는 Nb을 첨가한 아나타제형 이산화티탄(Ti1-xNbxO2, TNO) 에피택셜 박막이 다결정 ITO와 비슷한 비저항(10-4 Ohm-cm) 값이 보고되고 있다.[2] 대면적 디스플레이, 태양전지 판넬에서 면적의 증가에 따른 저항 증가 효과를 감소하기 위해, 단층 ITO 박막 대신 그림 1(a)과 같이 ITO/Ag/ITO의 다층 구조에 상응하는, 동종(D1=D2) 또는 이종(D1≠D2) 유전체(dielectric)/금속 (metal)/유전체(dielectric) (D1/M/D2) 구조가 집중 연구되고 있다. AZO(IZO, ZTO, IZTO, TO)/Ag(Cu, Mo, Au, Pt, Al)/AZO(IZO, ZTO, IZTO, WO3) (A=Al, I=In, Z=Zn, T=Sn, Ti)[3~9] 등의 다층 구조는 (p, h, d1) 두께 및 소재를 변화해가며, 높은 가시광선 투과도(T), 수 ohm 이하의 낮은 면저항 (Rs) 통하여 다양한 Haake Figure of Merit(FoM=T10(@550nm)/Rs)을 구현할 수 있고, 특히 산화물 반도체 세라믹의 경우 비정질 상태로서 굴곡성이 매우 뛰어나서, 기존 결정성 ITO의 낮은 변형률 단점 극복과 roll-to-roll 공정을 이용한 대면적 연속 제작이 가능하여 산업적 응용성이 높은 것으로 보고되고 있다. 기술적 측면에서 D/M/D 구조는 전기 전도도를 결정하는 금속 중간층의 전기 이동도(μFE=20~30 cm2/Vs)가 결정성 ITO(μFE=40~50 cm2/Vs) 보다 낮은 수준이며, 산화 방지 및 aging 등이 극복되어야 한다. 탄소계 투명 세라믹 소재로는 그래핀(graphene), 산화그래핀(graphene oxide)과 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled CNT, SW-CNT) 등이 대표적이며, 단일 탄소층으로 정의되는 그래핀은 매우 높은 이론적 전기 이동도(200,000 cm2/Vs), 가시광선 투과도(98%, 층 증가시 -2% 감소)가 알려져 있다. 다만 대면적의 균일한 그래핀을 성장시키는 기술이 고난이도로 알려지고 있으며, 이와 관련하여 최초로 Ni 촉매를 이용하여 roll-to-roll CVD 방식으로 Cu foil 위에 대면적 그래핀 필름 제작이 보고된 바 있고,[10] D/M/D 구조에서 중간층 금속을 대신하여 그래핀을 사용한 연구,[11] Ag NWs를 친수성 산화 그래핀 (GO)과 친수성 플라스틱 기판 사이에 밀착하여 Ag NWs의 산화를 방지하는 44-inch급 투명 기판 제작이 보고되었다.[12] SW-CNT는 정제시 기계적, 물리적, 화학적 결함 형성으로 인한 전도도의 저하와 전도성 용액의 분산성 확보 등에 근원적인 어려움을 내재하고 있으나, 투과도 90%, 면저항 200 Ohm/sq. 정도까지 보고되고 있다. 또한 전도성 고분자 PEDOT:PSS-graphene (CNT) 복합체 투명 전극들 연구도 병행되고 있다. 최근 Ag NWs/IZO/PEDOT:PSS등의 복합 구조 투명전극 소재의 개발을 통하여 OLED의 EQE를 ITO 대비하여 23% 향상시키는 기술도 보고되었다.[13] 대표적인 정부연구개발 과제로는 “차세대 비실리콘계 태양전지용 투명 전도막 신소재 및 합성기술 개발” (신기술융합형 성장동력사업), “전도도 ZITO 및 ZITO/Ag/ZITO 다층구조 투명전극을 적용한 유연 고분자 분산액정(PDLC) 스마트 윈도우 개발” (나노융합2020), “웨어러블 디바이스 적용을 위한 터치패널용 SnOx계 투명 산화물 박막 및 이를 적용한 다층 투명전도막 기술이 적용된 투명전도막 기술개발”(우수제조기술연구센터(ATC) 기술개발사업) 등이 수행되었다.

그림 1. (a) D1/M/D2 다층 구조 TCO의 단면도[3]. (b) 30-inch 그래핀/PET투명전극[10]. (c) GO/Ag NWs/PET 복합 투명 전극[12].

---이하 생략

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