Update2024.05.25 (토)
투명전도성 필름소재 분야별 기술동향
◇나노카본기반 투명전도성 필름소재
나노카본기반 투명전도성 필름의 대표적인 소재는 탄소나노튜브와 그래핀으로 ITO를 대체할 수 있는 유력한 소재다.
1)탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)
기존 디스플레이의 투명전극인 ITO는 진공증착 공정과 포토리소그래피 공정에 의한 높은 제조단가·고온공정·낮은 유연성(flexible)·플라스틱 기판과의 열팽창계수 차이 등의 문제 등으로 유연 디스플레이 투명전극으로서는 적합하지 않을 뿐만 아니라 인듐의 고갈로 인해 향후 디스플레이 전극용 ITO 박막 생산이 불가능할 것으로 예상되고 있다.
또한 최근 터치휴대폰과 같은 소형, 고기능 터치패널 제품시장이 급속하게 확대됨에 따라 기계적 내구성에 취약한 ITO 박막전극을 대체할 수 있는 고내구성·고투명·저저항의 투명전극 재료 및 박막기술의 확립이 절실히 요구되고 있다.
주요 선진국에서는 이미 전도성 고분자·금·은 등의 나노입자 및 CNT를 이용한 유연 디스플레이용 투명전극 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다. 현재까지 유연 전자회로(Electronics) 응용을 위한 유연 전극이나 TFT 소자는 주로 전도성 유기고분자박막이나 비정질 실리콘박막을 사용하고 있다.
그러나 상기 두 가지 물질은 CNT 박막에 비해서 열·전기·기계적 충격에 약하고, 특히 유기계 전도성 고분자의 경우 공정조건이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 전기전도도가 낮고, 기계적 강도가 약하며, 유연성(Flexibility)이 그다지 우수하지 않아서 큰 곡률반경으로 휘어질 때 면 저항이 크게 증가한다는 문제점이 있고 패턴형성이 어렵다는 단점이 있다.
따라서 이에 대한 해결책으로 유연 투명전도성 CNT 박막기술을 확립하는 것이 반드시 요구되고 있는 시점이다. 박막전극은 전기전자·정보디스플레이·에너지·자동차 산업의 핵심소재로 특히 CNT 기반 박막전극은 높은 전기전도성을 가질 뿐만 아니라 초박막의 경우 광학적으로 투명하기 때문에 투명전극소재인 ITO 등 금속산화물의 대체가 가능하다.
이러한 CNT 투명박막전극은 ITO 박막전극에 비해 전기적·광학적 특성·물리적 내구성의 향상과 더불어 생산비용을 절감시킬 수 있어 기존의 디스플레이 투명전극 및 터치패널용 투명필름을 대체하고 차세대 디스플레이에의 적용 가능성을 제시하고 있다.
2)그래핀(Graphene)
그래핀은 차세대 투명전도성 필름소재로 각광받는 소재로 탄소나노튜브와 동소체이다. 2004년 영국 가임(Geim) 연구진이 테이프를 이용해 흑연에서 그래핀을 분리하는데 성공하면서 많은 연구가 진행됐고 최근 투명전극으로서 가능성이 많이 보고되고 있다.
상온에서 양자 홀효과가 나타나고 이동도가 이론적으로 20만cm2/Vs의 매우 높은 전기전도도를 가지고 있으면서 광학적 투명성을 동시에 가지기 때문에 차세대 투명전극 재료로 잠재력이 매우 높다. 특히 영율이 탄소나노튜브와 마찬가지로 1TPa에 이르기 때문에 기계적으로 우수한 특성을 가질 뿐 아니라 굽힘에 대한 유연성이 우수해 유연 투명전극으로의 응용이 가능하다. 위의 표는 그래핀과 탄소나노튜브의 특성비교를 나타낸다.
이러한 우수한 전기적 특성을 바탕으로 미국 IBM 연구소·콜롬비아 대학·영국 맨체스터 대학을 중심으로 반도체 소자로 응용을 위한 그래핀 연구가 활발히 수행 중이다. 한편 그래핀의 전도 특성 자체를 이용한 투명전극으로의 응용연구에서는 독일 Max Plank 연구소가 최근 그래핀을 염료 감응형 유기 태양전지의 투명전극에 적용한 연구결과를 보고한 바 있다. 가임(Geim) 연구진이 소개한 접착테이프 법은 구조적으로 우수하고 큰 결정을 제공한다는 장점으로 널리 사용되고 있으나 최종 수율이 극히 낮아 상용화는 어렵다는 평가를 받고 있다.
플렉시블 D/P 시대 열어줄 나노카본 소재
각 소재별 한계 극복 관건…“연구만이 길”
이를 해결하기 위해 최근 성균관대 홍병희 교수와 삼성종합기술원의 연구진은 2009년 Nature지에 등재된 논문을 통해 Ni층을 이용한 대면적 그래핀 제조 기술을 보고 했다. Ni을 Seed층으로 해 화학 기상 증착법으로 복층 그래핀을 형성 한 후 전사하는 방식을 통해 그래핀 전극을 제작했으며 이를 통해 제작된 그래핀의 저항은 280Ω/sq이며, 투과도는 ~80%를 나타냈다.
그러나 아직까지 높은 공정 온도를 사용하는 문제점이 남아 있으며 제한된 연구 그룹에서 복잡한 공정을 통해 그래핀을 제작하는 연구 수준에 머물러 있어 대면적 투명전도성 필름소재로 응용하기 위해서는 좀 더 시간이 필요한 상황이다.
■투명전도성 필름소재기술개발의 핵심 이슈
◇금속 산화물소재 핵심 이슈
투명전극은 비저항이 1×10-3Ω/cm이하, 면저항이 103 Ω/sq 이하로 전기전도성이 우수하고 380에서 780nm의 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상이라는 두 가지 성질을 만족시키는 금속산화물 소재 중에는 ITO가 광범위하게 사용돼 왔다.
ITO의 우수한 광전기적 특성은 Sn의 도핑 및 활성화 기술에 매우 큰 영향을 받기 때문에 원료 타겟의 제조기술과 스퍼터 공정기술이 가장 중요하게 된다. 하지만 ITO의 원재료인 인듐 자원의 매장량 제한에 따라 인듐 자체의 가격이 상승하고 머지않아 고갈되어질 위기에 놓여 있어 이를 대체할 소재 개발이 절실한 상황이다.
이런 이유에서 앞서 설명한데로 SnO2·In2O3·SnO2-Sb(ATO)·SnO2-F(FTO)·ZnO·CdO·TiO2·Cd2SnO4 등과 같은 다양한 금속산화물 소재 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 소재는 ITO에 비해 광전기적 특성은 좋으나 에칭이나 여타 후 공정의 어려움을 갖고 있거나, 후 공정은 좋은데 반해 아직까지 광전기적 특성이 기대치에 미치지 못하는 문제점들이 있다.
◇전도성 고분자소재 핵심이슈
현재 전 세계적으로 개발돼 있는 전도성 고분자 투명전도성 필름은 투과도 대비 전도도가 낮아 LCD, OLED 등 디스플레이에 본격적으로 적용하기 어렵다. 터치패널 용도로는 적용할 수 있으나 전도특성의 균일성·내구성 등의 부족으로 제품에 적용된 예가 없는 상태이다.
과거 일본의 후지전자에서 전도성 고분자 전극 필름을 탑재한 터치패널을 출시하였으며 필립스 전자 등에서 전도성 고분자 투명전극을 꾸준히 연구하고 있는 상태이다. 전도성 고분자 투명전도성 필름의 제작을 위해서 프린팅 방식이 대표적이며 이를 이용해 기존의 평판디스플레이용 전극재료를 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
잉크젯과 같은 프린팅 방식으로 전극을 구성하기 위해서는 전도성 고분자 액의 점도를 수 cPs 정도로 낮추거나 수십 cPs의 액을 프린트할 수 있는 프린트 헤드를 개발해야 한다. 또한 잉크넷 헤드를 부식시키지 않도록 적절한 pH를 맞춰야한다. 이 과정에서 용액의 조성이 바뀌기 때문에 높은 전도도를 유지하기가 어려운 것이 전도성 고분자 프린팅의 가장 큰 문제점이다.
◇나노카본소재 핵심 이슈
단벽 탄소나노튜브(Single Wall CNT, SWCNT)의 경우 합성된 전체 튜브 중 67%는 전도성이 떨어지는 반도성 튜브라는 점과 직경이 1 nm인 반면 길이는 수 um~수십cm 이므로 튜브 상호간에 작용하는 강력한 반데르발스 힘에 의해 응집된 번들 형상으로 존재한다는 점이 투명전도성 필름의 특성을 저해하는 요소로 작용한다.
또한 합성 시 사용하는 촉매 금속과 부산물로 형성되는 비정질 탄소나 흑연 입자들이 불순물로 작용하기도 한다. 코팅·패턴 방법 및 종류에 따라 CNT 분산 용액의 조성·용매·첨가제·분산제 등이 바뀌게 되며 기판과의 접착성 및 형성된 CNT 투명전도성 필름의 내열성·내습성 등도 반드시 고려돼야 한다.
