전자산업의 패러다임을 바꿀 나노잉크소재

▲ ▲나노잉크 기술(左)과 응용(右). ▲나노잉크 기술(左)과 응용(右)

■기술의 정의 및 분류
나노잉크는 나노 크기의 금속·반도체·고분자·세라믹 등의 물질을 분산시킨 잉크 형태의 전자소재로, 유연 태양전지·유연 디스플레이·반도체 등의 전극이나 회로를 만들 때 사용되는 리소그라피 공정을 프린팅 기반 차세대 패터닝 기술로 대체할 주인공이다.

나노잉크 기술에는 잉크의 주성분인 각종 나노 물질을 합성하는 기술부터 이들을 분리 정제하고 분산시키는 기술, 잉크젯 프린팅·오프셋인쇄(Offset Printing) 등 다양한 인쇄전자 공정에 적용할 수 있도록 만드는 배합기술, 열처리 등의 후처리 기술 및 이들이 원하는 소자의 특성을 발휘하도록 나노물질 및 이를 포함하는 잉크의 설계 기술 등을 모두 포함한다. 따라서 나노잉크 소재기술은 인쇄전자 기술과 함께 고려돼야 하며 소재 기술의 발전이 인쇄전자 전반의 발전에 많은 영향을 미친다.

나노잉크는 전기적 특성에 따라 크게 전도성 나노잉크, 반도체 나노잉크, 기타 나노잉크들로 분류할 수 있다.

전도성 나노잉크는 주로 높은 전기전도 특성을 이용한 전극소재에 많이 사용되고 있다. 대표적으로는 은 나노입자를 이용한 나노잉크와 유기금속 콤플렉스(Complex)를 이용한 나노잉크 등이 이미 상업화돼 있으며, 디스플레이·태양전지 등의 각종 전극소재와 RFID 안테나·반사판 등에 응용되고 있다.

반도체 나노잉크는 Si계 나노잉크, 양자점 및 화합물 반도체를 이용한 나노잉크 그리고 세라믹계 나노잉크 등이 있으며 반도체·태양전지·배터리 등의 소재로 개발이 진행되고 있다.

기타 나노잉크는 LCD의 컬러 필터(Color Filter, C/F)에 적용되는 컬러 나노잉크, 각종 코팅용으로 사용되는 고분자 나노잉크, 절연특성을 가지는 무기계 나노잉크 등이 있다.

▲ ▲ KAIST에서 나노잉크를 사용해 개발한 플렉시블 기판. ▲ KAIST에서 나노잉크를 사용해 개발한 플렉시블 기판

■환경변화
◇저가 공정의 필요성
박막 공정을 이용한 반도체·디스플레이·태양전지 등의 전자·에너지 산업은 21세기 산업을 선도하며 매우 큰 시장을 형성하고 있다. 향후 이들 분야의 지속적인 성장을 위해서는 기존의 포토 리소그라피(Photo Lithography)를 사용하는 패터닝 공정을 저가 공정으로 대체하는 것이 필수적이다. 특히 디스플레이 분야에서는 기판의 대형화와 함께 엄청난 공정비용이 발생하고 있으며 이를 획기적으로 줄이기 위한 대체 공정 개발이 활발히 진행되고 있다.

반도체 분야의 경우 저가 개인용 소자 (RFID, Sensor 등)에 대한 필요성이 높아지고 있다. 따라서 인쇄공정을 이용한 인쇄전자 기술은 향후 매우 큰 발전 가능성을 보이며, 이와 함께 나노잉크 소재에 대한 필요성도 증대될 것이다.

◇유연기판을 이용한 소자 개발
기존의 유리 기판을 사용한 디스플레이에서 Roll-to-Roll 공정을 이용해 유연한 필름 위에 디스플레이를 제작하는 기술개발이 활발해지고 있다. 또한 유연기판을 이용한 RFID·태양전지 등이 활발하게 개발되고 있어 용액 공정으로 소자를 구성하는 나노잉크 시장이 확대될 전망이다.

◇친 환경 공정
최근 들어 환경 오염에 대한 심각성이 부각되면서 기존의 화학물질을 많이 사용하는 패터닝 공정이 인쇄공정으로 변화되고 있다. 인쇄공정을 사용하면 필요한 양 만큼만 화학 물질을 사용하게 돼 기존 공정 대비 화학 물질의 사용량을 대폭 줄일 수 있게 된다.

■기술의 중요성
◇인쇄전자 공정의 필요성 증가
인쇄전자 기술은 향후 IT 및 에너지 산업에서 중요한 역할을 할 것이다. 인쇄전자 공정은 크게 인쇄 전자용 소재 기술·인쇄 공정 기술·소자 기술로 나누어진다. 이 중에서 나노기술을 기반으로 한 나노잉크 기술은 인쇄전자 분야의 성패를 좌우할 정도로 중요한 기술이다.

특히 고성능 다기능 부품 신소재 개발요구 증대에 따라 인쇄전자 분야에서도 나노잉크와 같은 소재의 중요성은 점점 더 커질 것이다.

◇부품 소재 산업의 원천기술 선점
기존의 디스플레이와 반도체 산업의 사례에서 알 수 있듯이 고부가가치 부품소재 산업은 전방산업의 발전에 필수적인 요소이다. 향후 인쇄전자 공정을 이용한 새로운 패러다임의 산업이 생성될 것이고 이에 필요한 부품소재 산업의 육성과 원천기술 확보는 매우 중요한 일이다. 이런 맥락에서 나노잉크 기술의 중요성도 계속 증가할 것이다.

▲ ▲나노잉크 소재 - 기술 분류 . ▲나노잉크 소재 - 기술 분류

■나노잉크 개요
◇나노잉크 기술
인쇄전자용 잉크 소재는 다양한 전기 전자 기능을 갖는 잉크를 기반으로 마이크론(㎛) 단위의 패턴 형성이 가능한 프린팅 전자 소자로서 전 세계의 주목을 받으며 전자 소재 및 부품 분야의 새로운 패러다임으로 떠오르고 있다. 이러한 나노잉크 소재는 전기적 특성에 따라 전도성 나노잉크 소재·반도체 나노잉크 소재·기타 나노잉크 소재로 분류할 수 있다.

1)전도성 나노잉크 기술
전도성 나노잉크는 각종 전자소자의 전극·배선 등에 주로 사용되며 이 때 형성되는 전도성 라인에 필요한 가장 중요한 물성은 전기전도도이다. 예를 들면 전도성 잉크소재의 인쇄공정을 통해서 LCD 디스플레이 후면(Back Plane)의 배선을 형성할 경우 형성된 배선 라인의 전도도가 높을 시에는 저항에 의한 신호속도 지연(RC Delay)을 최소화 할 수 있어서 빠른 응답의 영상 구현이 가능하다. 그 다음으로 중요한 요구사항은 낮은 공정온도·낮은 제조단가·잉크의 안정성 등이다.

2)반도체 나노잉크(비금속 무기계 나노잉크) 기술
반도체 나노잉크는 반도체 성질을 이용해 각종 전자소자의 활성층으로 적용되는 반도체 나노잉크와 금속 산화물을 이용해 투명전극·배터리 소재·태양전지 등에 응용되는 무기계 나노잉크로 구분된다.

반도체 나노잉크의 경우 전하 이동도와 메모리특성이 매우 중요한데 CdSe 등 화합물 반도체 나노입자, ZnO 등 금속 산화물 나노 입자, 실리콘 나노 입자 등이 있다. 이와 같은 무기물 반도체 나노입자는 우선 무기반도체 소재를 전구체 등을 통해서 나노입자 형태로 만들고 그들의 표면을 용매에 잘 분산되도록 하기 위해서 다양한 분산재를 화학적으로 부착해 잉크화하고 있다.

무기계 나노잉크는 대표적으로 TiO2를 이용한 염료감응형 태양전지용 나노잉크와 CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)용 나노잉크, CdTe 용 나노잉크 등이 태양전지 제조에 사용되고 있다. SnO2나 ZnO계열은 인듐 고갈에 대비하기 위한 투명전극 소재로도 사용된다. 또한 MnO2와 같이 배터리 소재에 응용되기도 한다. 이들 모두는 다른 나노잉크와 마찬가지로 전기적 특성이 우선적으로 고려돼 개발이 진행되고 있으며 분산성과 안정성 등이 중요한 이슈이다.

3)기타 나노잉크 기술
LCD 컬러필터(C/F)용 나노잉크는 안료 및 BM(Black Matrix)에 주로 사용되며 디스플레이의 명암비를 구현하는 기술이 가장 중요하다. 고분자 나노잉크는 다양한 코팅소재로서 이미 상용화가 이루어져 고광택 코팅용지 등에 널리 사용되고 있으며 절연 잉크도 다양한 방면에서 연구가 진행 중이다.

나노잉크소재, 플렉시블 PV·DP의 필수

美·日·EU·韓,기술 선점 위한 경쟁 치열

◇응용분야
인쇄기술은 다양한 인쇄기술을 통해 트랜지스터 및 전자회로 제작, 센서 및 메모리 제작, PCB 제작 등에 적용되고 있다. 인쇄기술을 통한 트랜지스터 및 회로는 디스플레이를 구동하기 위한 구동소자 및 RFID의 디지털회로 등에 응용될 것으로 예상된다.

▲ ▲ Toppan사의 Reverse Gravure Offset을 이용한 고해상도 은 나노입자 패턴 및 이를 이용한 E-paper Display. ▲ Toppan사의 Reverse Gravure Offset을 이용한 고해상도 은 나노입자 패턴 및 이를 이용한 E-paper Display

1)디스플레이 분야
인쇄기술이 가장 활발하게 응용되고 있는 분야 중 하나가 디스플레이 제조공정이다. Seiko-Epson은 이미 LCD용 컬러필터의 제조공정을 인쇄기술을 통해서 대체하는 공정의 개발을 완료해 실제 일본 샤프 등의 제조공정에 적용했다. 또한 최근에는 E-paper·AMLCD·AMOLED의 화소에 트랜지스터를 하나씩 포함하는 액티브 매트릭스(Active Matrix) 평판 디스플레이의 TFT를 인쇄공정을 통해서 제작하는 연구가 활발히 수행되고 있다.

이밖에 일본의 Toppan 잉크는 Reverse Gravure Offset을 이용해서 8μm의 고해상도를 갖는 소스/드레인 전극을 실버 나노입자를 통해서 형성하고 이를 TIPS-pentacene의 전극으로 사용해 E-paper 디스플레이를 시현한 바 있다. 이 기술은 현재까지 알려진 인쇄법의 해상도 중 자기정렬 등의 방식을 이용하지 않고 만들어진 방법으로는 가장 높은 수준의 해상도를 가지는 것으로 평가된다.

국내에서는 ETRI를 비롯해 삼성전자·LG디스플레이·LG화학·생산기술연구원·KIMM·경희대·동아대 등에서 활발히 연구하고 있다.

인쇄기술을 이용한 LCD·OLED 디스플레이의 백플레인 제조는 보다 높은 전하 이동도가 필요하므로 현재 주로 사용되는 유기 TFT를 이용해 구동하기에 무리가 있다. 따라서 앞서 언급한 무기 반도체 잉크나 탄소기반 반도체 잉크의 개발을 통해서 가능할 것으로 예상된다. 하지만 실제로 적용하기 위해서는 잉크의 안정성 등 여러 특성을 개선해야 한다.

▲ ▲비접촉 프린팅을 통한 전극형성 공정 테스트. ▲비접촉 프린팅을 통한 전극형성 공정 테스트

2)에너지 분야
태양전지 분야에서는 결정질 실리콘 태양전지의 전극을 기존의 스크린 인쇄에서 오프셋(Offset)이나 잉크젯 방식으로 변화시켜 미세 선폭을 구현하려는 노력이 이루어지고 있다. 180 μm 미만의 결정질 실리콘 태양전지 생산을 위해 Schmid사(독일), OTB Solar사(네덜란드)는 비접촉식인 잉크젯 프린팅을 전극형성 공정과 에치 레지스트(Etch Resist) 형성 공정에 적용하기 위한 기술개발을 수행해 왔다.

결정질 실리콘 태양전지 이외에도 CIGS 태양전지 및 염료 감응형 태양전지를 인쇄 방식으로 구현하려는 노력이 기울여지고 있으며 이를 위해서 InGaAs·CuInGaSe 등의 반도체 나노잉크의 개발이 이루어지고 있다.

3)기타 분야

기타 응용 분야 중 대표적인 것이 RFID와 센서 분야이다. 프린티드(Printed) RFID가 연구되고 있는 가장 큰 이유는 낮은 제조 비용 때문이다. Si 단결정을 이용하고 고온 증착하는 절연체와 도체를 사용하는 Si 기반 RFID에 비해 프린팅 가능한 유기물 용액을 이용하는 프린티드 RFID는 가격을 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대되고 있다.

특히 Si RFID 태그(Tag)는 Substrate, Tag IC, 안테나(Antenna)가 패키징(Packaging)에 의해 부착돼야 한다. 프린티드 RFID의 경우 Roll-to-Roll 공정을 이용해 안테나와 태그 IC를 기판 상에 동시에 형성하기 때문에 패지킹 비용을 절감할 수 있다. 이를 구현하기 위한 안테나용 전도성 나노잉크는 이미 상업화가 진행됐으며 활성 소자용 반도체 나노잉크는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

▲ ▲인쇄전자 기기 시장 예측 (2009∼2029, 단위 : US$). ▲인쇄전자 기기 시장 예측 (2009∼2029, 단위 : US$)

■나노잉크 기술의 성장성
나노잉크 기술은 인쇄전자라는 새로운 산업 분야의 발전과 함께 한다. IDTechEx사의 2009년 자료에 의하면 2020년에 인쇄전자 시장은 약 60조원에 달할 것으로 예측된다. 이와 함께 나노잉크 시장도 비약적으로 성장할 것으로 예측돼 2021년도에 나노잉크 등 인쇄전자 소재 시장은 약 19조원에 이를 것이다. 특히 기술이 성숙될 2020년 이후에는 급격한 시장 성장이 예측되고 있다.

▲ ▲각종 나노잉크의 적용범위. ▲각종 나노잉크의 적용범위

■나노잉크 소재의 역할과 위상
인쇄전자산업 분야는 정부의 정책 기조인 ‘저탄소 녹색성장’과 일치하며, IT·NT 뿐만 아니라 BT·ET까지 포함하는 첨단 융합산업이다. 현재 전 세계적으로도 연구개발 및 상용화 초기 단계로 사업화된 예가 많지 않기 때문에 나노잉크분야는 세계 상위권에 진입 할 수 있는 여지가 많다.

특히 부품소재 측면에서 나노잉크 소재는 신성장동력을 창출할 수 있는 다양한 차세대 기술 분야에 활용될 수 있다는 점에서 그 성장 가능성이 무궁무진하다. 획기적인 공정 단축 및 제조 원가 절감의 효과를 통해 국내 IT 발전과 주요 수출 품목인 전자제품의 시장 경쟁력을 계속 유지할 수 있게 할 것이다.

각종 나노잉크 소재의 적용범위는 위의 표에 정리했다.

▲ ▲나노잉크의 기술성능 비교. ▲나노잉크의 기술성능 비교

■나노잉크 소재분야별 기술개발동향
나노잉크 재료를 분류하면 전도성 나노잉크·반도체 나노잉크·기타 나노잉크로 나뉜다. 각 기술의 주요 특징(또는 이슈) 및 기술개발 현황을 정리하면 다음과 같다.

◇전도성 나노잉크 (금속 나노잉크계)
전 세계적으로 전도성 나노잉크에 대한 연구는 매우 활발히 이루어져 국외에서는 Paralec·Degussa·Sun-chemical·Cabot·Seiko-Epson 등에서 고체 함량이 약 50% 이상인 은(Ag) 나노잉크가 개발돼 있다. 이들 소재는 고온에서의 소성을 필요로 하며 비저항은 최저 은의 약 2배 정도이다.

전도성 나노잉크를 이용한 도전성 배선 소재의 경우는 은(Ag)·구리(Cu) 등의 전도성 금속 소재를 고농도로 분산시킨 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅 혹은 오프셋(Offset) 프린팅 기술로 수십 ㎛ 수준의 배선을 패터닝하는 연구가 이루어지고 있으며 일부는 현재 산업적으로 활용 초기단계에 있다.

은(Ag) 잉크를 활용한 실제적인 플렉시블기판 위의 전극제 제작은 일본의 Seiko-Epson이 가장 활발히 진행하고 있다. 소성 온도 150℃에서 저항값은 4 ~ 5μohm·cm 정도로 벌크 은(Ag) 저항값의 몇 배 정도 범위에서 나타나고 있다. 이에 선폭을 다소 두껍게 하거나 배선층 자체를 두껍게 하는 방법으로 저항값을 실용 레벨까지 떨어뜨릴 수 있을 것으로 보이며 앞으로 1∼2년 후 추가적인 잉크의 개량으로 실용화가 가능할 전망이다.

유기 금속 복합체를 이용한 나노잉크는 국내의 잉크테크사에서 원천기술을 개발·소유해 상업화를 진행하고 있다. 전기적 특성은 나노입자 잉크와 유사하고 저온에서 매우 균일한 표면을 형성하며 소성이 된다는 특징이 있다. 현재 RFID·FPCB 등에 적용 연구가 진행되고 있으며 디스플레이의 반사판으로 상업화가 진행된 상태이다.

구리(Cu)는 은(Ag)에 비해 전도도가 95 % 정도로 매우 우수한 도체 특성을 나타내며 은(Ag)에 비해 가격이 1/100 정도로 그 활용성이 매우 뛰어나 삼성전기·한화케미칼 등에서 연구개발이 진행 중이다. 그러나 구리(Cu)의 산화성 때문에 제조 시 매우 주의 깊은 관리가 필요해 그 활용성이 현재까지는 매우 제한적인 상태다.

◇반도체 나노잉크
반도체 나노잉크를 인쇄 공정에 적용하기 위한 노력이 오래전부터 지속돼 왔으며 2004년부터 높은 이동도를 가지는 무기 화합물 반도체 소재가 개발되고 있다. 반도체 잉크 소재는 용액상의 전구체형과 콜로이드상의 입자형이 있다. 실리콘·산화아연계 투명산화물·칼코겐 화합물(Chalcogenide) 등의 고농도 잉크화, 패터닝 공정 및 저온 열처리 기술이 핵심 기술이다.

인쇄용 무기 반도체 소재로는 ZnO·(ZnMg)O·Zn-Sn-O·Zn-In-O·SnO2 ·단결정InGaO3 (ZnO)5·비정질 In-Ga-Zn-O 등이 있다. 특히 중금속 양이온(Heavy Metal Cation)을 가지는 비정질 산화물(Amorphous Oxides) 계열은 결정 형태를 가지지 않고도 높은 이동도를 나타내기 때문에 특히 주목받고 있다. LCD 백플레인 구동용 소자로 비정질 실리콘 트랜지스터가 주로 이용되고 있으나 수소 포함 문제·준안정성 문제·표면 보호 문제 등이 해결돼야 한다.

반도체 나노잉크 소재의 직접 나노 패터닝(Direct Nanopatterning)과 관련해 MIT·UC Berkeley·UIUC 등의 대학, Los Alamos National Lab. 등의 연구소 및 NanoMas·Seiko-Epson 등의 기업을 중심으로 실리콘 나노입자·도핑된 ZnO 나노입자 등에 대해서 활발한 연구가 이루어지고 있다.

용액 공정용 무기 반도체소재는 산화아연(ZnO) 계열이 가장 많이 연구되고 있으며 졸-겔(Sol-Gel) 방법을 이용해 용액 공정이 가능한 상태이다. 하지만 높은 소성 온도로 인해 아직 유연성 기판에 적용하기는 어려운 실정이다. Motorola는 잉크젯용 ZnO 잉크를 합성했으며 안정된 상태로 10cm²/Vs의 이동도를 달성했고 영국 캠브리지 대학은 HF Sputtering 방법으로 170°C의 온도에서 InGaZnO를 인쇄해 10cm² /Vs의 이동도를 달성했다.

일본의 도판인쇄(Toppan Printing)에서는 비정질 InGaZnO를 상온에서 제작해 6∼9cm²/Vs의 이동도를 확인했으며, 이를 이용해 Active Matrix Display Backplane에 적용했다.

◇기타 나노잉크
기타 나노잉크 중에서 활발한 연구 및 상업화가 이루어지고 있는 분야는 LCD C/F용 나노잉크 분야이다. 일본의 전자소재 업체들을 중심으로 이미 상업화가 진행된 상태이며 대표적으로는 Toyo Ink, TSK, 미쿠니 색소 등이 잉크젯 공정이나 오프셋(Offset) 공정을 이용한 C/F 나노잉크를 개발했다. 국내에서는 LG화학이 LG Display와 함께 C/F 잉크를 개발해 상업화를 진행 중이며 제일모직에서도 삼성전자와 함께 같은 소재의 상업화를 진행하고 있다.

■나노잉크 소재기술개발의 핵심 이슈
◇저온 소결 특성 확보
인쇄전자용 나노잉크 소재의 궁극적 목표는 저가의 고분자 필름에 Roll-to-Roll 대량 생산이 가능한 소자를 구현하는 것이다. 따라서 이들 고분자 기판이 견딜 수 있는 저온 (일반적으로 < 150℃)에서 열처리 공정이 진행 돼야 하고 이때 원하는 소자의 전기적 특성을 구현할 수 있어야 한다. 따라서 나노입자를 사용한 경우 이들 입자간의 접촉면적을 최대화 시켜 저온 소결이 용이하도록 해야 할 것이다. 저온 공정에서 다른 중요한 이슈는 기판과의 부착력 문제이다. 저온 열처리시에 기판과의 부착력을 확보해 안정된 소자 구동이 가능하게 해야 한다.

◇인쇄성 확보
현재까지 나노잉크를 이용한 인쇄는 주로 잉크젯 프린팅과 오프셋(Offset) 프린팅에 의해 진행되고 있다. 나노잉크의 경우 나노입자들이 인쇄공정에서 다양한 영향을 주기 때문에 이들 인쇄공정에 매우 안정적으로 활용될 수 있는 잉크 개발이 필수적이다. 특히 분당 수 미터 이상의 고속 공정과 기판이 1미터 이상 되는 광폭 Roll-to-Roll 공정에 적용될 수 있는 잉크의 개발이 중요한 기술 이슈이다.

◇분산성 등 잉크 안정성 확보
일반적으로 나노소재는 이들 사이의 인력이 매우 강하기 때문에 응집이 쉽게 이루어져 안정된 분산을 유지하는 것이 매우 어렵다. 하지만 이들 나노잉크 소재가 상업화되기 위해서는 장기 보관 안정성 등이 확보돼야 한다. 또한 나노잉크의 분산성은 소자 제작 후에도 이들의 소자 성능과 인쇄 특성 등에 영향을 미치기 때문에 기술 개발의 핵심 이슈라 할 수 있다.

韓, 나노잉크소재 선점시 IT강국 지속

産·學·硏 협력 위한 정부 지원 절실

▲ ▲나노잉크소재 - 해외 선도 연구기관. ▲나노잉크소재 - 해외 선도 연구기관

■국가별 동향(미국)
인쇄전자 분야 그리고 나노잉크 소재 분야는 타 기술 분야와는 달리 기업이 연구를 주도해 나가는 형태이다. 따라서 국가 차원의 연구 프로그램보다는 기업 위주의 연구개발 동향을 알아보기로 한다.

미국의 경우 가장 대표적인 기업은 Cabot과 Paralec을 들 수 있다. 이들은 금속 나노잉크를 상업화해 전극 RFID 등에 일부 적용했다. 최근 들어 CIMA Nanotech.사에서 개발한 은(Ag) 나노잉크는 투명전극과 EMI 필름 등에 상업화가 진행 중이며, Cambrios사의 은(Ag) 나노와이어 잉크도 투명전극에 적용하기 위한 사업화를 진행하고 있다. 반도체 나노잉크의 경우 Motorola는 ZnO 잉크를 개발 중이며 기업 이외에는 UC Berkeley Univ, MIT, Illinois Univ, Oregon Univ. 등의 대학과 Los Alamos 연구소 등에서 다양한 소재를 이용한 인쇄전자 소자 연구를 진행하고 있다.

■국가별 동향(일본)
일본의 나노잉크 연구는 NEDO(신에너지 산업기술 종합개발기구 프로그램)를 중심으로 인쇄전자 전반에 대해 Seiko-Epson 과 같은 장비·소자 회사와 다수의 소재 회사를 통해 이루어지고 있다.

일본의 경우 다수의 전자소재 업체들이 나노잉크를 개발하고 있다. 전도성 나노잉크의 경우 Harima 사와 Ulvac이 선도하고 있으며 이밖에도 후지 필름·Toyo Ink·Fujikura 등에서도 상업화를 진행 중이다. 반도체 나노잉크의 경우는 DNP사에서 박막 트랜지스터 개발을 위한 소재를 연구하고 있다. 일본의 경우 가장 발전된 분야는 디스플레이용 컬러 나노잉크로 Toyo Ink·TSK·미쿠니 색소 등에서 LCD용 C/F 잉크를 개발해 상업화했다.

■국가별 동향(EU)
인쇄소자 분야에 있어서는 유럽이 가장 앞서가고 있다고 판단된다. 유럽은 다양한 분야에서 인쇄 소자의 적용을 추진하고 있고 상당한 진전을 보여 상업화 전 단계까지 도달한 분야가 상당히 많다.

독일의 경우 OE-A(Organic Electronics Association)라는 협회가 구성돼 있어 이를 중심으로 많은 회사들이 연구를 진행하고 있다. 대표적인 회사들로는 독일의 Plastic Logic이 반도체 잉크를 이용한 인쇄 유기 트랜지스터(Printed Organic Transistor)를 개발하고 있으며, BASF·Degussa·Merck·H.C. Starck 등의 회사들이 소재 및 소자 개발을 진행 중이다.

연구소의 경우는 영국 Cambridge 대학의 Cavendish 연구소가 대표적이며 반도체 나노잉크 및 금속 나노잉크와 이를 이용한 소자 연구를 진행하고 있다.

▲ ▲나노잉크 소재 - 국내 선도 연구기관. ▲나노잉크 소재 - 국내 선도 연구기관

■국가별 동향(한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
국내에서도 나노잉크 개발은 산업계 중심으로 진행이 되고 있으며 주요 정책 및 연구개발과 관련해서는 인쇄전자 소자와 공정장비 그리고 소재가 어우러져 함께 진행되고 있다. 소재 중심으로 본다면 최근 지식경제부 세계시장 선점 10대 핵심소재사업(WPM) 중 플렉시블 기판 사업 일부가 투명전극용 나노잉크 개발을 진행하고 있다.

현재 전도성 나노잉크의 개발은 이미 상업화 단계에 접어들고 있으며 다수의 기업들이 제품을 출시하고 있다. 반면에 반도체 나노잉크는 아직 상업화 단계에 진입하지 못했기 때문에 학교 및 연구소를 중심으로 연구개발이 진행되고 있다.

기타 나노잉크의 경우도 상업화 중심으로 개발이 이루어져 LG화학·제일모직 등의 대기업 위주의 개발이 진행되고 있다. 전도성 나노잉크의 경우 대표적인 기업으로는 잉크테크·나노신소재·대주전자재료·NPK 등의 중소기업들과 LG화학·삼성전기·한화케미칼·동우화인켐 등이 개발 혹은 상업화를 진행 중이다.

반도체 나노잉크의 경우는 삼성전자에서 연구를 진행하고 있으며 ETRI·화학연구원 등의 연구소에서 주로 연구를 진행하고 있다. 파루의 경우 고순도의 단일벽 CNT(SW-CNT)를 이용한 RFID를 상업화했다.

▲ ▲나노잉크 소재 - 기술격차 및 기술수준. ▲나노잉크 소재 - 기술격차 및 기술수준

◇기술경쟁력 분석
나노잉크 분야의 한국의 기술수준은 선진국과 비교해 95% 정도의 높은 수준을 보인다. 나노잉크의 전방산업이라 할 수 있는 디스플레이와 반도체 산업이 매우 앞서 있는 한국의 현실에서 이들 소자의 경쟁력을 확보하기 위한 소재 분야의 연구가 활발히 이루어진 결과라 할 수 있다. 특히 전도성 나노잉크 분야의 수준은 세계 최고 수준이라 할 수 있으며 상업화 측면에서도 시장을 선도하고 있다.

▲ ▲ 나노잉크 소재 - 국내외 주요 기업의 생산활동. ▲ 나노잉크 소재 - 국내외 주요 기업의 생산활동

■국내외 주요 기업의 생산활동
나노잉크 소재 산업은 전세계적으로 이제 막 상업화에 진입하고 있는 분야이다. 따라서 아직까지 본격적인 생산활동이 이루어지기 보다는 일부 틈새 응용(Niche Application)을 중심으로 상업화가 이루어지고 있는 실정이다.

▲ ▲나노잉크 소재의 국내외 시장 규모 (억원). ▲나노잉크 소재의 국내외 시장 규모 (억원)

■시장규모 및 전망
국내 인쇄전자용 소재 시장은 보수적으로는 세계시장의 약 10%로 간주해 2015년에 약 6,000억원의 시장이 형성될 것으로 예측된다. 소재의 시장은 응용시장에 비해 그다지 크지 않을 수 있지만, 응용시장의 확대여부에 따라 관련소재는 전략 무기화될 가능성이 높아 이들 분야의 원천기술 확보가 필수다.

■향후 연구개발 과제
◇인쇄소자용 공액계 화합물의 전기·광학 특성 제어 기술
△인쇄전자 소자에 필요한 다양한 특성의 잉크소재 개발
△인쇄 트랜지스터, 태양전지 등에 사용되는 전도성 및 반도체 나노잉크 개발
△잉크의 전기적 특성 확보 및 소자 특성 검증
△인쇄공정과 병행하여 잉크의 인쇄성 확보 및 미세 선폭 구현

◇디스플레이용 나노잉크 개발
△ LCD C/F용 잉크젯 잉크 개발
△ LCD TFT 공정용 인쇄 레지스트 개발
△ OLED용 나노잉크 소재 개발
△ E-paper 용 나노잉크 개발

◇태양전지 및 배터리용 나노잉크 전극 소재 개발
△ 인쇄형 태양전지용 무기계 나노잉크 개발
△인쇄형 배터리용 전극물질 개발
△대용량 고출력 용 배터리 나노잉크 개발

◇신개념 나노잉크 개발
△기존의 나노잉크와는 차별화되는 새로운 소재의 나노잉크 개발
△나노와이어 잉크
△반도체 나노막대 잉크

■시장 선점을 위한 과제
◇협업 및 공동연구 활성화
나노잉크 분야는 인쇄전자 산업이라는 큰 테두리 안에서 발전할 것이다. 반대로 인쇄전자 산업도 나노잉크라는 기초 원천소재의 발전 없이는 큰 발전을 기대할 수 없다. 과거 반도체와 디스플레이 등의 분야에서 우리나라는 소자 업체 중심의 엄청난 발전을 이루었음에도 기초 소재 및 제조 장비는 해외에 의존하는 경향을 보여 왔다.

최근 들어, 부품 소재 및 공정 장비 기술의 중요성이 부각되면서 이들 분야에서도 소재·공정·소자의 세 부분이 상생하면서 발전하는 방향으로 연구개발이 진행되고 있다. 인쇄전자 산업도 이와 유사한 성격을 가지고 있으며, 전방산업인 인쇄전자산업의 발전을 위해서는 후방 산업 혹은 원천 기술이라 할 수 있는 나노잉크 기술(산업)과 장비업체·수요기업 등과의 공동 연구개발이 활성화돼야 할 것이다. 또한 다양한 인쇄 장비의 인프라가 확보돼 소재 개발 및 소재 성능 평가가 원활히 이루어져야 할 것이다.

◇장기적인 나노잉크 개발 연구
나노잉크 분야는 20세기 이후 많은 투자가 이루어진 나노분야의 대표적인 상업화 사례라 할 수 있다. 하지만 아직도 나노기술의 많은 부분이 기초 연구 수준에 머물고 있고 이들의 미래 응용성이 매우 높다는 측면에서 나노잉크의 미래 발전 가능성은 매우 높다고 볼 수 있다. 현재 나노잉크 분야는 전도성 잉크를 중심으로 상업화가 이루어지고 있으나 반도체나 다른 분야에 적용되는 나노잉크의 개발은 상대적으로 미미한 실정이다.

또한 이들 전도성 물질·반도체 물질 등 여러 물질의 복합화를 통한 다 기능성 잉크에 대한 연구도 아직은 초기 단계다. 향후 인쇄전자 분야에서 나노잉크가 해결해야 할 여러 문제점을 생각해 본다면 기존의 나노잉크 연구는 보다 장기적이고 체계적인 방향으로 이루어져야 할 것이다. 뿐만 아니라 단기간의 상업화를 위한 연구와 함께 원천기술을 확보하려는 장기 연구에 대한 청사진도 시급히 마련돼야 할 것이다.

◇인쇄전자 분야 인프라 확충을 위한 정부의 지원과 관심
이상에서 언급된 두 가지 제언을 현실화시키기 위해서 정부의 많은 노력이 필요하다. 최근 들어 인쇄전자 협회가 정식으로 발족됐으며 전북 인쇄전자센터와 같은 인프라 구축도 진행됐다. 향후에도 정부는 산학연 공동 연구를 활성화시키고 소재분야와 소자 및 공정분야의 공동 연구를 활성화시키는 방향으로 주도적인 역할을 해야 할 것이다.