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

나노 소재 투명 전극 기술 개발 이슈

1. 기술 개발상의 세부적인 이슈

• 고성능의 Foldable·Stretchable 투명 전극

고성능의 Foldable·Stretchable 투명 전극을 개발하는 데에는 고전도성 나노 소재를 활용해 휨·비틀림·젖힘 등의 외형 변화에도 전기적 연결 특성을 유지할 수 있는 투명 전극이 필요하다. 이 중 인체의 움직임에 상관없이 피부에 밀착되어 접촉 특성을 유지하고, 자유로운 탈부착을 구현하는 Stretchable 투명 전극 개발은 향후 4차 산업혁명의 핵심 소재 기술로 떠오를 것이란 기대를 모으고 있다. 이와 같은Foldable·Stretchable 투명 전극은 웨어러블 기기의 핵심 소자이자 인체 정보를 센싱하는 스킨 전자정보기기의 핵심 소자이기 때문에 연관 기술 개발이 필요하다.

• 초저저항 투명 전극

나노 소재 투명 전극이 ITO 투명 전극보다 높은 경쟁력을 갖추기 위해서는 저항 측면에서 ITO 필름보다 높은 성능을 구현해야만 한다. 그런데 ITO 필름은 필름 기반의 열처리 온도 한계로 인해 50Ω/sq 미만에 이르는 저항 특성을 구현하는 데 한계를 지니고 있다. 이 때문에 초저저항 투명 전극은 ITO가 진입하기 어려운 저저항 영역에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 보이며, 이를 위해서는 저저항 특성을 갖춰야만 한다. 일반적으로 투명 전극은 저항에 따라 적용 제품 범위가 확장되는 특성을 지니고 있어 10Ω/sq 수준의 초저저항 영역에서 △ 디스플레이 화소 전극 △ 태양 전지 △ OLED 조명 △ 자동차의 투명 히터 △ 건축용 투명 단열/발열 필름에 확대·적용될 수 있다.

• 대면적 Roll-to-Roll 코팅이 가능한 투명 전극

투명 전극 필름 제조 공정은 습식 코팅 업체의 보유 설비를 통한 대량 생산을 진행할 수 있으며, 기술적 진입 장벽이 높지 않은 분야로 평가받고 있다. 또한, 여러 신기술이 존재하고 있어 기술적 수준뿐만 아니라 저비용·대량 생산을 통한 가격 경쟁력을 확보해야지만 시장에 진입할 수 있을 것으로 보인다. 기존의 탄소나노튜브와 그래핀 투명 전극은 시장의 주목을 받지 못했는데, 이 중 탄소나노튜브 투명 전극은 생산성이 낮고 소재의 손실이 많은 스프레이 코팅이 적용되는 경우가 많았고, 분산제 제거를 위해 별도의 세정 공정을 진행해야 하는 문제점을 지니고 있었다.

그래핀은 대면적 CVD 성장 공정 및 전사 공정에서 생산성을 떨어뜨리는 동시에 비용을 증가시키는 원인이 되었다. 현재 시장에 진입 중인 은나노와이어 투명 전극 기술은 습식 공정으로 대면적을 롤 코팅할 수 있으며, 메탈 메쉬형은 대면적 생산을 구현해 인쇄 공정 또는 에칭 공정을 거친 후 패턴을 형성하는 공정상의 장점을 발휘함으로써 빠르게 시장에 진입하고 있다.

• 높은 신뢰성의 투명 전극 필름

기존의 ITO 투명 전극은 무기 산화물로, 안정적인 화학 구조로 구성된 물질인데 반해, 나노 입자 투명 전극 소재들은 금속 물질이거나, 나노 탄소 물질을 주로 활용한다. 특히 금속 나노 소재를 활용하는 금속 나노 와이어나 금속 나노 입자는 고온·고습한 환경에서 산화될 수 있어 부식방지제와 오버코팅을 통해 높은 환경 안전성을 확보해야만 한다. 탄소계 투명 전극은 나노 탄소 자체의 높은 결정성으로 인해 우수한 환경 안전성을 지니고 있지만, 나노 입자 간의 접촉 특성이 환경적 요인에 의해 변할 수 있어 기존 ITO 투명 전극에 비해 저항 안정성면에서는 취약하다. 투명 전극의 주요 적용 분야인 터치패널은 사용자의 기기 조작 및 시인성에 대해 직관적으로 반응할 수 있어 최종 세트 고객사가 높은 스펙과 신뢰성을 요구하고 있다.

나노 투명 전극의 적용 분야가 △ 자동차의 Infotainment 시스템 △ 태양 전지용 전극 △ OLED 조명 △ 투명 면상 히터 △ 투명 사이니지 등으로 확대되기 위해서는 현재의 디스플레이 부품 수준보다 더 높은 수준의 신뢰성을 갖춰야 한다. 이와 같은 요소가 갖춰줘야지만 나노 투명 전극이 신뢰성 향상 기술 개발을 통해 접근 가능한 시장 범위를 확장해 나아갈 수 있을 것이다.

• 투명 전극 미세 패터닝 기술

일반적으로 회로는 투명 전극의 미세 패턴을 형성한 후 구성되기 때문에 패터닝 공정이 필수적이다. 기존의 ITO 투명 전극은 주로 습식 에칭 공정 기술을 통해 패턴을 형성했는데, 나노 소재를 이용한 투명 전극에서도 유사한 습식 에칭 공정을 거쳐 에칭이 이뤄질 시 기존 설비를 활용할 수 있는 장점이 구체화될 수 있다. 한편, 금속 나노 소재에 기초한 투명 전극은 금속의 높은 빛 반사성으로 인해 에칭 방식으로 패턴을 형성했을 때 금속이 존재하는 부분과 에칭되어 금속이 부재한 부분의 반사도 차이에 의해 패턴이 시인되는 문제를 지니고 있다. 이 같은 경우 미세 패터닝을 통해 전극 간의 간격을 더 줄이거나, 부분 에칭 및 무에칭 패터닝 기술을 활용해 패턴 시인 문제를 해결하는 등의 조치가 이뤄져야 한다. 이에 더해 레이저 에칭을 통한 패턴 형성도 가능한데, 이 때는 레이저의 의한 burn out 현상과 기판 손상에 의한 패턴 시인상의 문제가 발생하지 않도록 주의해야 한다.

2. 결론

나노 소재 투명 전극 기술은 고부가가치를 창출할 수 있는데다가, 향후 적용 제품에 대한 높은 기술적·시장적 파급 효과를 지니고 있어 정부에서도 적극적으로 개발을 지원해 왔다. 그 결과 여러 경쟁 기술이 탄생했고, 이 기술들이 시장 진입을 시도하면서 일부 제품에 있어서는 기존의 ITO 필름을 대체할 수 있는 시장으로 진입하기에 이르렀다. 나노 소재 투명 전극의 개발 초기에는 성능 중심의 관점에서 기존 투명 전극 소재에 접근하려는 연구가 진행되었는데, 지금은 기존 투명 전극 소재의 특성을 넘어 그 한계를 극복할 수 있는 기술에 관한 연구와 개발이 진행되면서 나노 소재 투명 전극에 대한 관심이 높아지고 있다.

기존에 있었던 소형 정보기기의 터치패널에 기반을 둔 나노 소재 투명 전극의 시장 진입 전략은 ITO 투명 전극의 높은 시장 장악력에 의해 성공적인 결과를 얻지는 못했지만, 그 과정에서 성능상의 진보를 이루는 성과를 거두기도 했다. 이 때문에 향후에도 ITO의 시장 장악력이 높은 스마트폰 등의 중소형 기기보다는 △ 중대형 기기 △ Foldable 장치 △ 대면적 태양 전지 △ 대면적 사이니지 등에서 더 큰 경쟁력이 생겨날 것으로 보이며, 이로 인해 시장 진입이 확대될 것으로 보인다.

끝으로 4차 산업혁명이라고 불리는 새로운 기술적 패러다임이 본격화되고 있는 상황 속에서 그 핵심 기술인 융합 네트워크 정보 체계와 스마트 바이오 센싱 기술을 구현하기 위해서는 센싱 기술에 대한 인터렉티브 나노 소재 기술이 반드시 필요하다. 이는 곧 가변형의 나노 소재 전극을 활용한 스킨일렉트로닉스 기술이 향후 4차 산업혁명 시대 속에서 인체 정보의 센싱과 모니터링과 관련해 아주 중요한 기술로 부상할 것임을 암시한다고 할 수 있다.

자료 제공 : 한국산업기술평가관리원