기획연재 ❶ 기존의 ITO 투명 전극을 대체하는 나노 소재 투명 전극

나노 소재 투명 전극 기술

1. 비ITO계 투명 전극 기술

투명 전극은 투명하면서도 전기가 잘 통하는 전극 물질로, 디스플레이의 화소 전극과 터치패널 전극에 광범위하게 적용되어 왔다. 투명 전극은 주로 ITO(인듐주석산화물)로 제조되었지만, 제품 용도에 의해 ITO 투명 전극을 대체하거나 ITO가 적용되기 어려운 새로운 응용 분야로의 적용을 위한 목적 하에 비ITO 계열의 소재를 활용해 투명 전극을 개발하는 연구가 진행되어 왔다. 여기에는 ‘은나노와이어 투명 전극 / 메탈 메쉬 투명 전극 / 탄소나노튜브 투명 전극 / 그래핀 투명 전극, 전도성 고분자 투명 전극’ 등이 해당된다. 투명 전극 개발에 있어서 저항 외에 중요한 또 다른 이슈는 유연성 확보인데, ITO 투명 전극은 ITO를 진공 증착해 기판 위에 무기물 박막을 형성하기 때문에 충격이나 휨 스트레스를 받았을 시 쉽게 부러짐으로 인해 적용 대상이 비교적 제한되어 주로 평면형 디스플레이에 적용되어 왔지만, 일부 커브드 디스플레이와 곡률 반경 6.5mm 수준의 고정형 디스플레이에도 적용된 바가 있다.

그럼에도 불구하고 ITO 투명 전극은 아직까지 가변형의 유연한 디스플레이가 적용된 상용 제품을 가지지 못한 상태에 있다. 한편, 비ITO계 투명 전극은 저항 수준에 따라 다양한 분야에 적용될 수 있는데, ITO 투명 전극과 비슷한 저항 수준인 100~200Ω/sq 수준에서는 저렴한 가격과 뛰어난 내구성을 기반으로 중소형 터치패널용 투명 전극에 대한 적용이 시도되고 있다. 면저항 50Ω/sq 내외 수준에서 비ITO계 투명 전극은 ‘노트북 / 태블릿 PC / All-in-one PC’ 등의 중대형 터치패널용 투명 전극으로 적용될 수 있는데, 최근에 들어와서는 20Ω/sq 이하의 저저항 투명 전극이 개발됨으로써 ‘전자 칠판 / 대면적 터치패널 / 태양 전지 / OLED 조명용 / LED 간판 / 투명 발열체’ 등에 적용을 시도하기 위한 목적으로 연구 개발이 진행되고 있다.

50Ω/sq 이하의 저저항 영역에서 비ITO계 투명 전극은 ITO 투명 전극 대비 저항 측면에서 충분한 경쟁력을 확보할 수 있기 때문에 다양한 응용 분야를 발굴한 후 상용화에 돌입하는 과정을 거치고 있다. 비ITO계 투명 전극 개발에 있어서 나노 소재를 활용한 연구 개발이 활발히 진행되고 있는데, 그 이유는 비ITO계 투명 전극이 ITO와 대비했을때 고전도성 나노 소재를 활용해 저저항 특성을 구현하는 동시에 유연성을 확보할 수 있기 때문이다.

2. 나노 소재 투명 전극의 종류와 특성

앞서 설명한 것처럼 비ITO 투명 전극 소재 중에서도 나노 소재를 이용한 투명 전극 개발이 적극 진행되고 있는데, 이 같은 투명 전극의 종류에는 ‘은나노와이어 투명 전극 / 은나노입자를 이용한 메쉬형 투명 전극 / 탄소나노튜브 투명 전극 / 그래핀 투명 전극 / 전도성고분자 복합 투명 전극’ 등이 속한다.

먼저 은나노와이어는 종횡비가 대략 1,000 수준(평균 직격 10~30mm / 평균 길이 20~30㎛)의 긴 와이어 모양으로 이뤄져 있기 때문에 적은 양을 코팅하더라도 은나노와이어가 상호 접촉되어 전기적으로 연결될 수 있으며, 은나노와이어 네트워크 구조 사이에 빈 공간이 많은데다가 광학적으로 투명하기 때문에 투명 전극을 형성할 수 있다. 이 같은 은나노와이어 투명 전극은 ‘마이크로 그라비아 / 슬롯다이’ 등의 대면적 습식 코팅 방법을 통한 제조가 가능해 공정비용이 저렴하다는 장점을 지니고 있을 뿐만 아니라 수십 nm 수준의 매우 얇은 직경과 높은 종횡비로 인해 투명 전극상의 실제 금속 함유량이 낮아 저저항 영역에서도 높은 투과도와 낮은 헤이즈를 구현할 수 있다는 특성도 보유하고 있다.

추가적으로 은나노와이어는 비정형 네트워크 구조로 이뤄져 있어 모아레 등의 간섭 현상을 겪지 않으며, 각도에 따라 시인성 차이가 크게 나타나는 상황 또한 겪지 않는다. 하지만 지금까지 설명한 장점에도 불구하고 은나노와이어는 이방성 구조로 인해 코팅 과정에서 소재가 특정 방향으로 배열되어 이방성의 저항 특성이 생기기 쉽다는 단점과 함께 소재의 부식으로 인해 환경 안정성이 낮은데다가 전계에 따른 은 이온의 이동으로 인해 단락 결함이 발생할 수 있다는 단점을 지니고 있다. 은나노입자를 이용한 메쉬형 투명 전극의 경우, 입방형 모양의 은나노입자를 이용해 인쇄 잉크를 제조한 후 그리드 형태로 기판에 인쇄해 메쉬형 투명 전극을 형성하는 과정을 거친다.

이 때 그리드의 선폭, 두께, 간격에 따라 10Ω/sq 미만의 저저항 투명 전극 특성이 구현되는데, 이와는 별개로 은나노와이어 투명 전극 대비 은 함유량이 높고 선폭이 굵어 투과도가 낮고 헤이즈가 높은 단점이 나타나기도 한다. 인쇄 기술의 발달로 인해 선폭이 3㎛ 미만인 인쇄 메쉬 투명 전극이 개발됐지만, 대면적 기반에 대한 적용성과 양산성 확보는 아직까지 미흡한 상황이다. 이 같은 단점을 보완하기 위해 인쇄 방식 외에 금속을 증착하고 에칭하는 방법을 통해 금속 메쉬 투명 전극을 제조하는 방식으로 기술 개발이 진행되었는데, 이 방식은 현재 ‘스마트폰 / 태블릿 PC / 대면적 터치 센서’ 등에 적용되어 상용화됐다.

탄소나노튜브 투명 전극은 단일벽 탄소나노튜브 분산액을 제조한 후 이를 기판에 코팅해 투명 전극을 형성한다. 이 때 단일벽 탄소나노튜브는 직경 1.2~1.4nm의 튜브 모양으로 구성되어 있는데, 분산 기술에 따라 10nm 내외의 탄소나노튜브 번들 직경과 수 ㎛ 수준의 길이로 이뤄진 분산 입자가 형성되기도 한다. 탄소나노튜브 투명 전극은 은나노와이어 투명 전극과 비슷한 형태로 이뤄져 있기 때문에 네트워크 구조로 연결되어 투명 전극을 형성하는데, 기판에 대한 접착성과 유연성이 높은데다가 소재 자체가 높은 물리적 / 화학적 안정성을 지니고 있다는 장점을 보유하고 있다.

하지만 탄소나노튜브 투명 전극은 이와 같은 장점에도 불구하고 빛을 흡수하는 소재의 특성으로 인해 투과도가 타 투명 전극과 비교했을 때 낮으며, 분산 기술의 한계로 인해 저항이 다소 높다는 단점을 지니고 있다.에서 탄소나노튜브 투명 전극은 양산 시제품으로 투과도 85%, 면저항 250Ω/sq 수준으로 개발된 적이 있는데, 최근에는 화학 증착 방식 합성법에 기반을 두고 대량 생산되어 가격이 저렴하면서도 전기 전도성이 높은 단일벽 탄소나노튜브가 상용화되면서 다시 국내외에서 주목을 받게 되었다.

그래핀 투명 전극은 2차원 평면 구조를 갖춘 그래핀이 기판에 단층 또는 복수의 적층으로 코팅되어 형성된 투명 전극이다. 이 같은 그래핀은 표면이 평탄한 전극을 형성하며, 투명 전극 두께가 수 nm 수준밖에 되지 않아 극한의 휨 환경 하에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있다. 또한 그래핀 투명 전극은 탄소나노튜브 투명 전극처럼 결정형 탄소인 그래핀으로 구성되어 있어 높은 물리적 / 화학적 안정성을 지니고 있는데다가 빛을 잘 흡수하기 때문에 투과도가 낮고 타 전극 소재와 비교했을 때 저항이 높다는 장점을 내재하고 있다. 한편, 투명 전극용 그래핀은 주로 구리 포일에 카본소스를 고온의 CVD(화학증착법) 방법을 통해 합성하며, 합성 이후에는 전사 필름을 붙여 구리 포일을 에칭으로 제거하고, 기판으로의 전사 과정을 통해 투명 전극 필름을 만들어낸다.

만약 이 때 그래핀 단일층이 적층될 시 기판 대비 투과도가 2.3% 내외로 감소된다고 알려져 있으며, 저항은 단일층 기준으로 200~400Ω/sq 수준을 보인다. PEDOT 등의 전도성 고분자에 관한 연구는 PEDOT 자체를 투명 전극으로 개발하는 방법과 타 소재와의 복합을 통해 투명 전극을 개발하는 방향 하에 진행되고 있다. PEDOT 자체만으로도 150Ω/sq 수준의 저항을 구현할 수 있음에도 타 전극 소재 대비 저항이 높기 때문에 주로 은나노와이어 / 금속 메쉬 투명 전극과 함께 적용되어 투명 전극의 표면을 평탄화시키거나 기계적 물성을 향상시키는 용도로 기술 개발이 진행되기도 했다. 이 같은 PEDOT은 OLED 조명 등과 같이 낮은 저항과 평탄한 표면을 요구하는 분야에서 집중적으로 연구되는 대상이기도 하다.

자료 제공 : 한국산업기술평가관리원