Update2025.05.10 (토)
투명전도성 필름소재 아직 기회 있다
■국가별 동향 (미국)
◇주요정책 및 연구개발 프로그램
1)금속산화물기반 투명전도성 필름소재
미국은 과학재단(NSF), DARPA(Defense Advanced Research Project Agency) 프로젝트를 통해 금속산화물을 이용한 응용소자의 원천 기술 확보에 주력하고 있다. 오리건(Oregon) 주립대학을 중심으로 2000년대 초부터 ZnO 계열을 이용한 응용에 다수의 원천특허를 보유하고 있고 이를 HP가 대부분 인수해 산업화에 힘쓰고 있다.
2)나노카본기반 투명전도성 필름소재
CNT의 우수한 물성과 특성을 이용해 새로운 소자들이 제품화돼 나오는 시점에서 차세대 주력산업의 국제경쟁력을 확보하기 위해 CNT 응용제품의 품질 및 특성평가의 표준화가 국제적으로 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 예를 들어 CNT를 이용한 투명전극 응용제품 연구에 있어서 CNT 투명전극은 기존의 금속산화물 투명전극과 달리 CNT의 종류 및 형태학, 기판상의 분산성, 투명전극의 구현방법 등이 서로 아주 상이하기 때문에 기존 평가방법을 동일하게 적용 시 문제가 될 수 있다. 따라서 현재 CNT 투명전극의 물성평가에 사용되는 기존 방법들에 신뢰성 검증평가가 반드시 있어야 한다.
CNT 투명전도성 박막 기술은 미국과 일본이 주도하고 있다. 특히 미국의 기업인 Eikos는 SWCNT(Single-walled Carbon Nanotube, 수분산용CNT)를 이용해 투명전도성 박막을 개발해 수많은 관련 특허를 출원했을 뿐만 아니라 Invisicon짋이라는 상품명으로 투명전도성 박막 제품을 출시했다.
미국의 Unidym은 CNT 제조업체였던 CNI와 합병, 유연 전자회로(Electronics)용 SWCNT 투명전도성 전극을 개발했으며, 터치스크린·LCD·OLED에서 사용되는 ITO 투명전극을 대체하기 위해 적극 노력하고 있다.
2003년과 2005년에 미국 NIST(표준기술연구소)에서 CNT의 표준화에 관한 워크숍이 있었으며 현재 ACS(American Chemical Society)에서 CNT 표준화 분과가 운영되고 있다. 2005년에 ISO/TC 229(나노기술)가 신설돼 용어, 측정, 안전 및 환경에 대한 표준화 활동을 시작했다.
미국에서 나노기술표준체계 수립 움직임이 가시화되고 있어 CNT의 전기적 성질에 관한 최초의 측정 표준안이 미국 표준기술연구원(NIST)을 중심으로 IEEE-SA에서 진행됐다. IEC TC 113에서는 나노제품 구현을 위한 해당 나노기술의 표준화를 위해 설립된 조직으로서 향후 CNT 응용제품 구현과정에서 CNT와 관련해 다양한 나노기술 표준화가 진행될 예정이다.
2004년 10월 오스트리아 비엔나에서 CNT 표준화를 위한 워크숍이 열린바 있으며 여기서 현재 가장 이슈가 되고 있는 CNT의 길이·직경·순도 등에 대한 표준화 논의가 제기됐다. 또 2년 이내에 CNT Technical Specifications의 필요성이 강하게 대두됐으며, 4년 이내에 CNT의 이성질체(Chirality) 및 결함밀도들에 대한 표준화된 테스트 방법의 확립 필요성이 논의됐다.
■국가별 동향 (일본)
◇주요정책 및 연구개발 프로그램
1)금속산화물기반 투명전도성 필름소재
일본의 문부과학성과 경제산업성은 2007년부터 원소전략 프로젝트와 희소금속 대체재료 개발 프로젝트를 통해 현재 ITO에서 90%의 In2O3 함유량을 신규원소의 첨가에 의해 50%로 감소시키는 연구를 도호쿠대학을 중심으로 한 연구 클러스터가 진행하고 있다. 대형 평판 디스플레이용 반응성 플라즈마 증착법 성막기술을 개발해 인듐을 전혀 사용하지 않는 신재료 개발을 AIST(산업기술종합연구소)가 중심이 돼 진행 중이다.
한편, 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO) 산업기술연구조성사업을 통해 ITO의 원료 및 공정 개선을 통해 광전기적 특성을 향상시키는 연구를 진행하고 있다. AIST를 중심으로 일반적인 ITO 제조 공정이 아닌 액상 Laser Abrasion(연마)법을 이용해 ITO 미립자를 저비용으로 제조하는 기술을 개발해 실용화에 박차를 가하고 있다.
2)나노카본기반 투명전도성 필름소재
Mitsubishi Rayon에서 SWCNT 투명전도성 전극을 제작해 발표했으나 박막의 물성이 미국의 Eikos나 Unidym에는 미치지 못하고 있다. 그러나 한 단계 level-up할 경우 미국 업체와 필적할 만한 상태까지 도달할 것으로 예측된다.
규슈대학에서는 DNA를 Wrapping한 CNT를 한 층씩 적층한 투명전도성 박막을 제작해 뛰어난 박막 특성을 얻었으며 이를 바탕으로 상업화 가능성을 타진하고 있다.
또한 마쯔이물산·토레이·수미토모·오사카가스 등의 업체에서 CNT를 이용한 투명전도성 박막을 제작하고 이를 터치패널 혹은 대전방지막으로 응용하려는 연구가 진행 중이다.
■국가별 동향 (EU)
◇주요정책 및 연구개발 프로그램
1)금속산화물기반 투명전도성 필름소재
유럽에서는 포르투갈, 독일 등을 중심으로 주로 학교나 연구소 차원에서 원천 기술 확보를 위한 연구가 진행되고 있다. 이렇듯 국외에서는 원천 기술 분야와 신개념의 투명전자소자 응용 분야에 대하여 앞선 기술력을 가지고 있으며 이러한 장점을 활용한 연구가 주로 이루어지고 있다.
2)나노카본기반 투명전도성 필름소재
20개 기업과 연구기관 및 대학들이 모여 만든 ‘FlexDis’ 프로젝트 등을 통해 플렉서블 디스플레이 개발을 위한 노력을 하고 있으나, 핵심소재인 CNT 투명전도성 박막의 경우는 최근 CNT 양산에 착수한 독일의 Bayer 등 소수 연구팀이 투명전도성 박막 개발에 노력하고 있는 것으로 보인다.
美·日 선두 질주…표준 선점 경쟁
ITO분야, In2O3 대체물질 개발 활발
■국가별 동향 (한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
국내에서는 2005년부터 기술표준원에서 CNT 표준기술연구회를 구성하여 CNT 순도 및 분산기술 표준화를 위한 활동을 하고 있다. 현재 순도에 관한 2건의 KS 규격이 제정돼 있으며 ISO 및 IEC에 P-member로 활동하고 있다. 나노기술개발촉진법 제 15조에 나노기술분야에 대한 측정표준체계를 확립하도록 규정하고 있으며, 시행령에서는 나노기술측정표준체계확립을 ‘나노기술개발에 관한 중요사항’으로 규정하고 있다. 최근 국내 표준화 기반구축을 위해 국가적 차원의 나노기술 표준화 로드맵이 구축된 바 있다.
◇선도연구기관
CNT 투명전도성 박막에 대한 연구개발은 대기업나·연구소·벤처기업 등에서 활발히 진행되고 있다. 특히, 디피아이솔루션 및 탑나노시스 등 일부 벤처기업을 중심으로 전도성 고분자 또는 CNT를 응용한 투명전극용 박막 기술개발이 이루어지고 있다.
디피아이솔루션은 차세대 정보 디스플레이기술 개발사업단 연구를 통해 유기 디스플레이용 CNT 투명 전극의 개발과제를 수행하여 상당한 성과를 얻었으나 전극으로 사용할 수 있을 만큼의 전도도와 투명도를 확보하지 못한 것으로 알려지고 있다. 탑나노시스는 내구성과 전도성, 투과도가 향상된 터치스크린용 CNT 투명전극의 시제품을 발표했으며 이를 박막 전극의 대량 생산으로 이어가기 위해서 CNT 대면적 코팅을 위한 지속적인 개발을 진행 중이다.
LG화학·디피아이 솔루션·유원컴텍·나노컴텍·인스콘텍·AMIC·제일모직은 CNT 박막 산업 진출을 통한 터치패널의 응용 가능성이 높은 기업으로 현재 CNT 합성 기술을 가지고 있거나 박막이외의 응용기술을 가지고 있으면서 사업 다각화를 모색하고 있다.
국내외 CNT 박막산업 진출을 통한 터치스크린의 적용은 현재 저항막 방식의 응용을 위한 CNT 박막제조에 그치고 있다. 멀티터치 구현을 위한 정전용량 방식 터치스크린의 적용은 전 세계적으로 여전히 개발단계에 있다. 현 연구기관의 CNT 박막 기술력을 기반으로 뛰어난 특성을 갖는 CNT 박막기술 확보 및 저 가격·고 효율 패턴화 실현을 통해서 국가 간 기술경쟁에서 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대한다.
클라스타 인스투르먼트사는 표면 개질된 MWNT(Multi-walled Nanotube)와 분산기술을 이용해 반투명전도성 플라스틱을 개발하고 한화석유화학에서는 초임계수 산화법을 이용해 투명전극용 CNT 정제기술을 개발해 투명전극 기술 개발을 진행 중이다. 디피아이솔루션은 차세대 정보 디스플레이기술개발사업단 연구를 통해 유기 디스플레이용 CNT 투명 전극의 개발과제를 수행하여 상당한 성과를 얻었으나, 전극으로 사용할 수 있을 만큼의 전도도와 투명도를 확보하지 못한 것으로 알려지고 있다. (주)상보는 최근 한국전기연구원으로부터 CNT 기반 저항막 방식 터치패널용 투명전도성 코팅기술을 기술이전하여 2009년 6월에 시제품 생산을 계획하고 있다.
한국전기연구원은 세계 최초로 CNT/바인더 일액형 코팅액을 제조하고 이를 스프레이 방식을 통해 고분자 기판에 박막 코팅하여 저항막 방식 터치패널용 투명전극을 제조했으며 세계 최고 수준인 가시광선 투과율 90% 대비 160Ω/sq의 특성을 구현했다. 현재 저항막 방식을 위한 CNT 투명필름 제조기술을 (주)상보에 기술이전해 대면적 CNT 기반 터치패널용 투명전극의 양산을 준비 중에 있다.
■국내외 주요기업의 생산활동
◇금속산화물기반 투명전도성 필름소재
ITO 필름 시장은 니토 덴코·토요 보세키 등 일본 업체가 70%의 시장을 점유하고 있다. 터치패널용 제품을 공급하는 제조사 중에는 니토 덴코가 시장의 30%를 점유하고 있고 오이케 코교가 그 뒤를 잇고 있다. 이외에 삼성코닝·미국의 CP필름·네오팩 등이 ITO 필름 대표 진영으로 꼽힌다.
ITO 필름은 LCD 등 평판디스플레이 수요가 증가하면서 연평균 16% 이상의 성장세를 보이며 전성기를 누리고 있다. ITO필름 업체들은 CNT 기반 투명전극의 상용화에는 상당한 시간을 필요로 하고 가격 문제 등 넘어야할 벽이 많다고 지적한다. 하지만 일각에서는 기존 ITO 필름이 갖는 태생적 한계 때문에 ITO 진영의 전성기도 오래가지 못할 것이라는 의견이 나오고 있다. ITO 전극을 사용하는 경우 ITO 전극과 플라스틱 기판의 열팽창 계수 차에 의해 공정 및 구동 중 기판이 변형되는 문제가 발생한다고 지적하고 있다.
◇나노카본기반 투명전도성 필름
전 세계적으로 전기 기능성 나노카본소재기술관련 시장규모는 가히 엄청나지만 현재 기반기술 개발과 초보적 수준의 응용제품 출시 단계에 있다. 현재 생산중인 관련제품의 시장크기는 아주 소규모이지만 5~10년 이내에 획기적인 신기능 제품 출시로 큰 시장의 형성이 예상된다.
전기기능성 나노카본소재 구현은 관련 산업에 미치는 영향이 크기 때문에 선진국에서의 기술이전 자체가 원천 봉쇄되어 미국 등 선진국으로부터 각종 원천기술 및 응용기술에 대한 기술료 지급 요구가 거세질 것으로 예상된다.
전기기능성 나노카본소재의 시장동향은 반도체 및 전기전자 제품 적용 목적으로 현재 CNT-고분자 컴파운드가 시제품으로 출시되고 있으며, 해외업체에서는 자동차의 정전도장 등의 적용목적으로 개발이 진행되고 있으며 소규모로 시장이 이미 형성되어 있다.
최근 CNT의 가격하락과 더불어 성형기술의 발전으로 본격적인 시장 형성이 전개되고 있는 상황이며, 박막형의 전기기능성 나노카본소재가 소규모 시장에서 상용화되고 있지만 아직 본격적인 시장은 형성되어 있지 않다.
현재 CNT 관련 시장현황은 CNT 소재자체가 kg 당 200달러 수준으로 시장 가격이 높아 연구용 수요가 대부분이며, 상업용 수요로는 전자파차폐용 및 정전기 제거용 특수도료 등이 부분적으로 이루어지고 있다.
향후 CNT 가격이 100달러 이내로 급락할 것으로 예상돼 전기기능성 나노카본소재의 시장이 본격화될 것으로 쉽게 예상할 수 있다. 박막형 CNT 투명필름의 경우 현재 국내의 중소업체 및 대기업에서 소규모 시장규모로 일부 제품에서 상용화가 됐으며 아직 본격적인 시장은 형성돼 있지 않으나 향후 5년 이내에 시장이 크게 활성화 될 것으로 보인다. 현재 많은 국내 기업체에서는 CNT 소재 혹은 응용사업을 사업 아이템으로 구상하고 있다.
■시장규모 및 전망
전기기능성 나노카본소재의 응용은 새로운 아이디어를 기반으로 하는 다양한 종류의 신제품 출현이 가능하기 때문에 많은 벤처기업들이 탄생되어 첨단소재 부품분야에서 한국의 기업들이 국제경쟁력을 확보함은 물론 많은 고용창출 효과가 있을 것으로 기대된다.
박막형의 전기기능성 나노카본소재 개발은 기술선진국에서도 본격적인 제품이 출시되지 않은 단계이므로 선택적이고 집중적인 기술개발과 동시에 특성평가에 대한 관련 기술을 표준화할 경우 전 세계 시장을 선점할 수 있는 특징을 가지고 있다.
투명전도성 필름의 용도는 현재 약 90% 가까운 범위에서 터치패널로 사용되고 있으며, 모바일 기기 등 터치패널 탑재 기기의 수요 확대에 따라 매년 그 사용량이 증가하고 있다. 전기기능성 나노카본 투명박막 필름이 우선적으로 터치패널과 같은 기존 시장분야을 급격히 대체할 것으로 예상된다.
박막형 전기기능성 나노카본 소재는 디스플레이 분야, 태양전지용 전극, 스마트 윈도우, RFID 용 배선 등의 다양한 플렉서블 일렉트로닉스 분야에 파급효과가 클 것으로 예상된다. 태양전지 산업은 향후 5~10년간 연평균 두 자리 수 이상의 고도성장을 기록할 것으로 기대되고 있는 신 성장 산업으로 그 응용 분야 또한 우주개발, 통신시설, 항공보안, 주택가전, 자동차 등 다양하다. 특히, 전기기능성 박막형 CNT 투명전극의 경우 차세대 모바일 기기 등 터치패널 탑재 기기의 수요 확대에 따라 매년 그 사용량이 증가하고 있는 상황이므로 박막 투명전도성 필름시장이 향후 크게 증가할 전망이다.
나노카본 소재…연평균 두자리수 성장 기대
국내 나노카본 소재 응용 인프라 구축 시급
■연구개발 과제
◇금속산화물 투명전극용 소재
금속산화물 투명전극용 소재의 견구개발 과제는 △고가의 인듐 대체 연구 △고기능성 소재 연구 등을 들수 있다.
고가의 인듐 대체 연구 분야에서는 △효율적인 패터닝 방법 및 우수한 결정성을 갖는 SnO2에 대한 연구 △상용화가 가능한 수준의 전기전도도를 갖는 ZnO에 대한 연구 등이 있다.
고기능성 소재 연구에는 SnO2-Sb(ATO), SnO2-F(FTO), CdO, TiO2, Cd2SnO4 등이 있다.
◇전도성고분자 소재
전도성고분자 소재 연구 과제로는 △화학적 안정성이 우수한 폴리아세틸렌 소재 연구 △전도도가 우수한 폴리피롤, 폴리아닐린 소재 연구 △재현성이 높은 폴리페닐렌의 설계 및 합성에 대한 연구 등이 있다.
◇나노카본 소재
나노카본 소재의 연구 과제로는 △전기전도도 및 환경신뢰성이 우수한 탄소나노튜브 필름에 대한 연구 △선택적 도전성 탄소나노튜브 합성 혹은 분리 연구△ 탄소나노튜브 용액 분산 안정성 및 도핑 연구 등이 있다.
◇그래핀소재
그래핀 소재의 연구 과제로는 △고품질 그래핀 합성 및 정제, 기능화 연구 △그래핀 용액 분산 안정성 및 도핑 연구 △그래핀 박막 증착 및 박막 특성 향상 연구 등이 있다.
■투명전도성 소재 서진국 도약 방안
◇‘나노기술’ 선점을 위한 정부의 지속적인 투자와 민간기업의 참여 절실
나노카본소재(CNT, Graphene) 기반 투명전극소재기술은 유연성, 투명성, 대면적, 휴대성, 가벼움, 저가의 모든 특성을 확보할 수 있는 신개념의 전극이다. 신재생에너지 및 IT기기의 고효율화를 이루고자하는 녹색기술 접목이 가능하며 display, electronics 응용의 flexible 소자 분야에서 원천기술에 의한 엄청난 신규시장을 창출할 수 있다. 최근 ITO 전극을 대체할 수 있는 차세대 모바일 기기의 차세대 투명전극으로서 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있는 분야이다. 아울러, 지경부 15대 전략기술에 핵심 요소 기반기술로 융합 가능성이 매우 높은 것으로 분석되고 있다.
국가 차원에서 신성장동력을 확보할 수 있는 가장 가능성 있는 나노카본 분야는 전 세계적 비교우위에 있다. 나노카본분야는 산업의 도입기에 차지하고 있어 현시점에서 적극적으로 활성화 하는 것이 필요하다. 최근, 스마트폰 및 터치패드의 시장 확대에 따라 개발 및 상용화시기를 앞당겨야하는 시급성이 요구된다. 이를 위한 정부의 지속적이고 집중적인 투자와 민간기업의 자발적인 참여가 반드시 필요한 시점에 있다.
◇산업화지원 기반 ‘나노카본소재응용’ 인프라 구축 시급
우리나라는 기초연구에 대해서는 세계 3위의 나노관련 기술보유국임에도 불구하고 산업화 연구에 있어서 국내 인프라 수준은 유럽·중국에 비해서도 상당히 열악하다. 중국은 산업 후발국임에도 불구하고 정부 차원에서 연구소를 육성하고 지원하기 때문에 기업이 추가로 떠맡게 되는 연구개발비가 거의 제로에 가까워 인프라 구축 전략 등에 있어서 우리나라보다 우월한 위치에 있다. 이는 역사가 비교적 짧은 신소재 분야임에도 불구하고 발전가능성 및 산업화 성공시 엄청난 파급효과로 인해 기술선점을 위한 미국 및 일본 정부의 지원은 실로 막대한 실정이다.
나노카본소재의 합성·정제·분리 등의 기반기술 및 구조제어, 공정, 응용을 포함하는 전극제작기술은 선진국과 유사한 수준까지 근접하고 있으나 산업화를 위한 나노카본소재의 고순도 대량합성 및 가공기술·박막형성기술·분석기술·바이스 제작 및 평가기술은 상당히 미흡하다. 예를 들면, 나노카본소재 박막형성 및 측정기술은 소규모 배치 형태의 샘플에 대한 연구가 주를 이루고 있으며 이를 바탕으로 대면적 양산 가능성에 대해서만 언급 하고 있는 실정이다. 현재, 궁극적인 응용분야인 유연투명전극·유연디스플레이·유연태양전지·스마트윈도우·CNT-BLU 등에 관심있는 기업들이 점차 증가하고 있으나 신규소재 적용에 따른 관련 연구 인프라를 자회사 내에 모두 구축하는데 어려움을 호소하고 있다. 나노카본소재응용 기반 인프라 구축을 통한 정부의 산업화 지원이 시급히 논의 되어야 할 것이다.
