기획 연재 ❷ 기존의 ITO 투명 전극을 대체하는 나노 소재 투명 전극

나노 소재를 활용한 차세대 Foldable 투명 전극 기술

1. 새로운 Foldable 투명 전극에 관한 요구

최근 투명 전극 개발 부문에서 새로운 이슈로 주목받고 있는 것이 바로 Foldable 장치용 투명 전극 개발이다. 이 같은 이슈로 인해 현재 국내외 스마트폰 업체들은 구부리거나 접을 수 있는 Foldable 스마트폰 개발에 적극적으로 임하고 있다. 업체들의 적극적인 움직임과는 별개로 주요 부품인 투명 전극이 극한의 휨 환경 속에서도 안정성을 유지할 수 있는 Foldable 투명 전극 개발이 필요한데, 이 때문에 정부는 최근 들어 Foldable 투명 전극 개발의 필요성을 인지하고 은나노와이어 소재를 통한 Foldable 투명 전극 개발과 관련된 정부지원과제를 시작하게 되었다.

한편, Flexible 디스플레이 기술은 ‘Curved, Bendable/Foldable, Deformable, Stretchable’ 형태로 발전해 나갈 것으로 전망되는데, 현재 개발되는 Foldable 기술은 2단계에 해당한다.

이와 같은 특성을 구현하기 위해서는 접히는 구조에 따라 투명 전극 면 내부로 접힐 때의 ‘in-folding’과 투명 전극 면 외부로 접힐 때의 ‘out-folding’ 조건 하에서도 안정성을 유지할 수 있는 저항 유지 특성이 필요하다. 일반적으로 in-folding은 1mm의 곡률 반경에서 각각 30만 회 이상의 접힘 안정성을 요구하는 반면에 out-folding은 2mm의 곡률 반경 속에서 30만 회 이상의 접힘 안정성을 필요로 한다. Foldable 투명 전극의 주요 응용 분야인 Foldable 디스플레이는 초기 in-folding 방식의 C형과 G형에서 향후 in/out-folding을 모두 구현할 수 있는 S형으로 확대 적용될 것으로 보인다.

일반적으로 in-folding보다 out-folding의 휨 안정성을 확보하는 것이 더 어려운데, 그 이유는 out-folding 과정에서 투명 전극면의 길이 팽창이 더 크게 일어나기 때문이다. 완전한 Foldable 디스플레이를 구현하기 위해서는 터치 센서도 완전히 접혀야 하는데, 이와 관련해서는 터치 센서 구조상에서 한 장의 투명 전극 필름을 활용하는 방식이 효과적이다. 이는 곧 단일 투명 전극 필름에서 X, Y축 회로 패턴을 구현할 수 있는 F1 또는 F2 방식이 적합하다는 이야기인데, 이 방식은 현재 ITO 투명 전극에서 생기는 저항의 한계로 인해 소형 디스플레이에만 주로 적용되고 있다.

이 때문에 업체가 현재의 ITO 투명 전극보다 더 낮은 저항을 구현할 수 있는 나노 소재 투명 전극을 사용하게 될 시에는 Foldable 디스플레이 적용 분야를 보다 확대할 수 있다.

2. Foldable 투명 전극 기술 개발 동향

투명 전극의 소재에 따라 휨 변형의 한계 특성이 크게 달라지는데, ITO 투명 전극의 경우 고정형 Curved 디스플레이에서 6.5mm의 곡률을 갖춘 제품이 출시된 바 있다. 일반적으로 가변형은 10mm 미만의 곡률 반경 안정성을 확보하지 못하는 것으로 알려져 있는 반면에 CNT/그래핀/전도성 고분자는 소재 관점에서 높은 휨 안정성을 확보할 수 있음에도 저항 특성과 패터닝 특성에서 미흡하다는 결점을 지니고 있다. 현재 국내 Foldable 투명 전극 개발 연구는 은나노와이어와 메탈 메쉬를 중심으로 진행되고 있는데, 은나노와이어 투명 전극은 은나노와이어 입자가 서로 접촉해 구조와 전도막을 형성하는 것으로, 입자 자체로 휨 변형을 구현할 수 있다.

이 같은 은나노와이어의 투명 전극은 안정적 네트워크 구조가 유지될 경우 휨으로 인한 팽창, 수축, 비틀림에도 불구하고 전기적 연결이 가능해 높은 휨 안정성을 구현한다. 은나노와이어 Foldable 투명 전극의 휨 안정성을 확보하는 데 있어서 나노와이어 네트워크 유지 특성 및 기판과의 높은 접착성 확보 등이 필요한데, 현재 함침형 투명 전극 형성과 은나노와이어의 고속 방사를 통해 입자의 접합 및 기판 함침, 빛 또는 열에 의한 나노와이어 입자의 소결 및 접합 등에 관한 기술 개발이 진행되고 있다.

국내외에서 개발된 은나노와이어 투명 전극은 이미 Bendable(곡률 반경 3~10mm) 수준의 휨 안정성을 확보할 수 있는 것으로 파악되며, 30~50Ω/sq의 저항과 90% 이상의 투과도, 1% 수준의 헤이즈를 통해 투명 전극 특성을 구현한다고 알려져 있다.

한편, 메탈 메쉬 투명 전극은 인쇄형 방식이 배선 시인성/광학적 특성/모아레/대면적화 및 수율 확보 등에서 상용화 수준에 미치지 못하기 때문에 당분간 금속 증착 후 에칭을 통해 메쉬 전극을 형성하는 방법으로 상용화될 가능성이 높다. 최근에는 미세 메쉬 패턴을 형성하고 기판과의 접착력을 향상시키는 방법 하에 Foldable 투명 전극 기술 개발이 진행되고 있다.

3. 국내외 응용 제품 개발 및 관련 산업 동향

은나노와이어 투명 전극을 활용한 Foldable 스마트폰 기술 개발이 적극적으로 이뤄지고 있는 가운데 미국의 애플은 은나노와이어 투명 전극을 자사의 웨어러블 기기인 애플 와치에 적용했다. 또한, 애플은 대만의 협력 터치패널 업체에서 은나노와이어 투명 전극을 활용한 Foldable 터치 센서 개발 연구를 진행하고 있다. 대만의 TPK는 자회사를 통해 미국의 은나노와이어 제조업체인 켐브리오스를 인수한 후 은나노와이어를 활용한 터치패널과 Foldable 터치패널을 개발하고 있다. 레노버는 대만의 AUO 패널을 활용해 Foldable 스마트폰인 ‘CPlus’와 Foldable 태블릿인 ‘Folio’를 제조해 ‘테크월드 2016’에서 전시 및 시연함으로써 Foldable 모바일 정보 통신 시장 선점에 주력하고 있다.

미국 스탠포드대학교에서 스핀오프된 C3Nano는 2015년 일본의 터치 디스플레이 하드 코팅 업체인 키모토와 협력 관계를 구축해 국내 은나노와이어 제조업체인 에이든을 인수했으며, 이를 발판 삼아 니샤프린팅 업체와 은나노와이어 코팅액 공동 개발 협약을 체결하는 등의 조치를 통해 적극적으로 은나노와이어 사업을 진행하고 있다. 이뿐만 아니라 C3Nano는 Flexible 디스플레이에서 투명 전극의 파손을 방지하는 ActiveGard™ 하드 코팅을 개발했고, 은나노와이어가 서로 겹치는 부분에서 촉매 작용에 의해 연결되는 나노글루 기술로 저항을 낮추는 동시에 헤이즈를 개선하는 기술을 개발했다.

미국의 시마나노텍은 은나노 입자를 통한 자기조립 방식으로 망목 구조로 이뤄진 메쉬 형태의 투명 전극을 제고하는 기술을 개발했다. 이 기술은 무작위 형태의 은 메쉬를 형성하기 때문에 일정한 격자를 가질 때 나타나는 모아레 현상 등이 일어나는 것을 막을 수는 있지만, 수십 μ 크기의 셀 크기로 인해 미세 패턴을 구현하는 데에 있어서는 한계를 보일 수밖에 없다. 그럼에도 불구하고 후지모리쿄요사는 시마나노텍의 기술을 통해 ‘SANTE’라는 필름을 제조하고 있는데, 이 필름은 105인치까지의 대면적 터치스크린에 성능 저하 없이 적용될 수 있으며, 기존의 메쉬형 투명 전극보다 높은 수율 개선을 구현할 수 있다.

국내에서는 삼성전자가 ‘프로젝트 밸리’라는 코드명으로 최근 수년 동안 Foldable 스마트폰 개발을 진행해 왔는데, 삼성전자는 ‘MWC 2017’에서 Foldable 디스플레이 및 스마트폰 시제품을 일부 고객사에 선보여 시장성을 확인받은 바 있다. LG디스플레이는 Foldable 스마트폰 탑재를 목표로 Foldable 디스플레이 개발을 진행하고 있으며, 제품 상용화를 위해 캐나다의 IGNIS 이노베이션과 OLED 회로 기술에 관한 라이선스를 체결했다.

투명 전극의 전방 산업에 해당하는 Flexible 디스플레이 산업에서는 국내 업체가 세계 Flexible 디스플레이 시장을 주도하는 현상이 전개되고 있는데, 이미 초기 Flexible 디스플레이는 양산 체제를 구축하고 본격 양산 시기를 조율하고 있다. 2013년에는 국내 기업에 의해 Flexible OLED가 상용화되었고, Curved edge 디스플레이가 스마트폰에 적용 되었다.

4. 시장 현황 및 예측

나노 소재 투명 전극은 주로 Flexible 투명 전극 용도로 적용될 것처럼 보이는데, 이 때문에 Flexible 투명 전극을 기준으로 시장 현황을 분석할 시 타깃 응용 제품인 Flexible 디스플레이에서 현재 Unbreakable/Curved 기술이 주를 이루고 있음을 알 수 있다. 향후에는 Bendable/Foldable/Rollable/Stretchable 등의 기술이 새롭게 등장하면서 Flexible 디스플레이 시장이 큰 성장세를 보일 것으로 예상된다. 이와 관련해 시장조사기관인 IHS는 Foldable 디스플레이가 2016년 24억6천만 달러를 시작으로 2020년에는 106억 달러 수준까지 성장할 것이라고 예상한 바 있다.

Foldable 디스플레이의 핵심 기술로는 Foldable 터치 센서/Foldable OLED 소자/플라스틱 강화 기판 등이 꼽히는데, Foldable 투명 전극의 주요 소재로 적용될 것으로 예상되는 은나노와이어는 이미 태블릿 PC/All-in-one PC/중대형 터치 모니터/스마트 워치/휴대폰 등에 일부 적용되고 있어 향후 Foldable 제품에서 독보적인 경쟁력을 확보한 후 시장 점유 범위를 확대해 나갈 것으로 보인다. 이 같은 은나노와이어 투명 전극 기술은 Foldable 디스플레이 외에도 다양한 분야에 적용 가능한데, 주요 응용 분야로는 터치 센서를 비롯해 기존의 평판 디스플레이와 OLED 디스플레이, 박막형 태양전지 분야 등을 들 수 있으며, 향후 이 같은 분야들에서 은나노와이어의 시장이 크게 확대될 것으로 예측되고 있다. 이와 관련해 Nanomarket 2015라는 자료에 은나노와이어 투명 전극 시장이 2015년에 약 41.5M$에서 시작해 2020년에는 288.1M$에 이를 것이라고 명시된 바 있다.

자료 제공 : 한국산업기술평가관리원