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향기 백
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기획특집 : 미래산업대응소재 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 홍성제 1, 한정인 2, 1 전자부품연구원디스플레이소재부품연구센터, 2 동국대학교화공생물공학과 Nano-scaled Materials for Flexible Transparent Conduction and Their Prospects on Application to Wearable

Engineering, Dongguk University-SEOUL, Seoul 04620, Korea Abstract: 본고에서는기존의 ITO 박막을대체하여유연한특성을나타낼수있는투명도전체용나노소재의동향및웨어러블디바이스의동향을살펴보고이로써투명도전체용유연나노소재의웨어러블디바이스에적용전망에대해고찰하였다.

1 기획특집 : 미래산업대응소재 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 홍성제 1, 한정인 2, 1 전자부품연구원디스플레이소재부품연구센터, 2 동국대학교화공생물공학과 Nano-scaled Materials for Flexible Transparent Conduction and Their Prospects on Application to Wearable Devices Sung-Jei Hong 1, and Jeong In Han 2, 1 Display Components and Materials Research Center, Korea Electronics Technology Institute, Seongnam 13509, Korea 2 Department of Chemical and Biochemical Engineering, Dongguk University-SEOUL, Seoul 04620, Korea Abstract: 본고에서는기존의 ITO 박막을대체하여유연한특성을나타낼수있는투명도전체용나노소재의동향및웨어러블디바이스의동향을살펴보고이로써투명도전체용유연나노소재의웨어러블디바이스에적용전망에대해고찰하였다. 은나노선 (Ag nanowire) 등유연특성을갖춘투명도전용나노소재는웨어러블디바이스에도적용이가능할것으로전망되지만, 상용화에성공하기위해선하이브리드구조화등나노소재들의약점을보완할수있는연구가필요하고이들이웨어러블디바이스시장에서성공적으로상용화될수있도록지속적인노력이필요하다. Keywords: Wearable devices, Transparent conductors, Flexible properties, Ag nanowires, Hybrid structures 1. 서론 1) 최근스마트시계, 스마트옷, 스마트안경등웨어러블디바이스관련기술이급속히발전하고있고, 이러한추세는헬스케어, 패션등더넓은분야로확대되어나가고있다. 이와같이웨어러블디바이스및관련 ICT 디바이스의수요가증가할것으로전망되면서이에적합한유연투명도전성소재에대한관심도함께증가하고있다. 투명도전소재는전기도전성을부여하면서전기적으로도전성을나타내는소재를지칭하는것으로인듐주석산화물 (Indium-Tin-Oxide, ITO) 이가장대표적인소재로알려져있다. ITO는산화인듐 (In 2 O 3 ) 격자에주석 (Sn) 이 In/Sn = 90/10의비율로도핑되어전기운반자 (Carrier) 가형성되어투광성과전기도전성을가지게된다. 저자 ( hongsj@keti.re.kr, hanji@dongguk.edu) (a) 변형전 (b) 변형후 Figure 1. Sputtering으로제작한 ITO 박막의변형에의한균열및파괴. 이러한 ITO 투명도전체막의전기전도도의균일성을유지하기위해선 ITO 조성을균일하게제작하는것이중요하다. 기존의 ITO 투명도전체는 Sputtering 등박막증착공정을이용하여제작하여왔다. 그러나, 이러한박막증착공정을제작된 ITO 박막은유연성이거의없어플렉서블기판상에증착하여약간만변형을인가해도 Figure 1 과같이휨또는뒤틀림에의해균열파괴가발생하고이로인해막의저항이급격히증가하여도전체로서의특성을잃게된다. 22 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

2 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 이를극복할수있는방안은 ITO 박막을유연성을가진나노소재로대체하고, 나노소재를이용한투명도전체막제작공정도기존의박막증착이아닌다이렉트프린팅으로대체하는것이다. 다이렉트프린팅이란미리입력된디지털신호에의해기판위에직접프린팅되어막을제작하는것으로기존보다가격이낮으면서유연한막을제작할수있는공정이다. 이러한다이렉트프린팅의장점을최대화하기위해선프린팅에사용되는투명도전체용나노소재의선택이매우중요하다. 본고에서는기존의 ITO 박막을대체하여유연한특성을나타낼수있는투명도전체용나노소재의동향및웨어러블디바이스의동향을살펴보고이로써투명도전체용유연나노소재의웨어러블디바이스에적용전망에대해고찰하고자한다. 2. 나노입자기반유연투명전극소재나노입자란 1차입자기준으로직경 100 nm 이하의크기를가진입자로정의된다. 나노입자의중요한특성중의하나는그입자크기가작아질수록표면원자수의비율은급격히증가하고, 표면특성이중요하게작용하여기존의소재와는다른특성이나타난다. 그중한가지현상이물질의용융온도가낮아지는현상이다. 금나노입자의경우크기가작아짐에따라용융온도가낮아지고, 10 nm 이하의크기에서는용융온도가급격하게낮아지면서약 2 nm 크기에서는용융점이 300 K로되는것으로보고되고있다 [1]. 이러한현상은나노입자의표면원자의불안정한원자결합상태가증가하는것에기인하는것으로알려져있다. 입자크기와비표면적의관계는다음과같이나타낼수있다. D = 6 / ρ d (1) 여기서, D, ρ 및 d는각각입자크기, 비표면적및밀도를나타낸다. 동일한밀도에서입자의크 기가작아질수록입자의비표면적은증가한다. 입자의비표면적이증가할수록원자결합이끊어져있어불안정한상태에놓여있는표면원자가증가하게되고이러한불안정한상태의증가는용융온도를낮추는동력으로작용할수있다. 이러한상태는아래식으로나타낼수있다. D = exp (-Q/kT) (2) 여기서 D, Q, k 및 T는각각확산계수, 활성화에너지, Boltzmann 상수및온도를나타낸다. 불안정한원자결합상태가증가할수록이것이활성화에너지를낮추는동력으로작용하고, 동일한확산계수를유지한다고가정시용융온도를낮출수있다. 따라서입자크기가감소하고비표면적이증가할수록물질의용융온도는낮아지는현상이일어나는것으로추정할수있다. 이러한나노입자의물성은프린팅조건에영향을미칠수있기때문에나노입자의제조하는공정에따라결정되는결정상, 순도, 입도, 분포및분산상태를제어하는것이매우중요하다. 따라서투명전극용나노입자를제조하는국내외업체에서는나노입자의제조및분산, 잉크 formulation 등공정조건을최적화하여나노입자잉크를제조하고있다 ULVAC Materials 일본의 ULVAC materials 사에서는가스중증발법을이용하여 ITO 나노입자를제조하고있다. Figure 2 (a) 에가스중증발법의개요도를나타내고있다 [2]. 가스중증발법은진공중에서증발된원료물질의증기가일정한크기로응집되는클러스터링이발생, 초미세나노입자가생성되고이들이운반기체에의해차가운기판으로이동하여입자가생성된다. 이때기판온도는약 100 K 미만으로매우낮고이러한차가운기판에서순간적으로포집되기때문에초미세급의나노분말입자가생성될수있다. Figure 2 (b) 에 ULVAC에서가스중증발법에의한나노입자들을제조하고이를분산시킨용액소재를나타내고있다 [3]. KIC News, Volume 19, No. 4,

기획특집 : 미래산업대응소재 (a) 가스중증발법개요 분산상태를유지할수있는것이다. 이와같이나노입자의표면에분산제와같은첨가제를적용함으로써응집을억제할수있는것이다. 이러한가스중증발법을이용하여 ULVAC에서는 Ag의경우월 500 kg 정도의양을제조하고있고, ITO에대해서는공개하고있지않고있다.

(b) 가스중증발법에의해제조된 ITO 나노입자잉크 * 출처 : https://www.ulvac.co.jp/products_e/materials/nano-metalink/ ito-series. Figure 2. ULVAC materials 사의투명전극용나노입자제조. ITO 나노입자가양호하게분산된용액이제조되어있다.

3 기획특집 : 미래산업대응소재 (a) 가스중증발법개요 분산상태를유지할수있는것이다. 이와같이나노입자의표면에분산제와같은첨가제를적용함으로써응집을억제할수있는것이다. 이러한가스중증발법을이용하여 ULVAC에서는 Ag의경우월 500 kg 정도의양을제조하고있고, ITO에대해서는공개하고있지않고있다. ULVAC에서는 ITO 나노입자를적용하여약 21 wt% 고형분의잉크소재를상용화하였고, 이를이용하여투명전극을제작할수있다. 이러한투명전극의특성은광투과율은 550 nm에서 90% 이상, 면저항은 250 Ω/ 으로비교적양호한수준을나타내고있다 [4]. 그러나, 아직까지유연투명도전체에적용되었다는보고는없어유연투명도전체로서의가능성은판단이유보되고있다. (b) 가스중증발법에의해제조된 ITO 나노입자잉크 * 출처 : ito-series. Figure 2. ULVAC materials 사의투명전극용나노입자제조. ITO 나노입자가양호하게분산된용액이제조되어있다. 가스중증발법으로합성한나노입자는입도가 10 nm 미만으로매우미세하고입자의분산도매우양호하다. 이와같은나노입자의분산성을확보하기위해서분산제와같은표면첨가제를사용한다. 이러한표면첨가제가응집을방지하는것은입자표면의이동을억제함거나입자간반발력을일으킴으로써입자간에작용하는인력을최대한으로억제하는것이다. 입자의성장은표면이동에필요한활성화에너지의함수인데, 표면첨가제에의해활성화에너지를높여줌으로써입자표면의이동을억제한다. 또한, 일부의표면첨가제는정전기적반발력을일으키는특성을가지고있다. 즉, 동일한극성을가지는첨가제가입자의표면에적용되면동일한극성에의해반발력이발생하고, 이러한반발력이초미세급의나노입자간에작용하는인력을일정한거리를유지하면서균일한 2.2. Mitsubishi Materials 일본의 Mitsubishi Materials사에서는 ITO 입자및 SnO 2, ATO (Sb doped SnO 2 ), PTO (P doped SnO 2 ) 등다양한산화물복합체기반의나노입자소재들을개발, 다양한분야에적용할수있는다양한수준의나노입자들을상용화하고있다. 이들입자의형상은대부분구형으로, 주로액상분산체용으로제조된다. 또한, ITO 이외에는대부분 SnO 2 base로구성되어있는데이는가격경쟁력을갖기위한것으로추정된다. ITO의경우 1차입자의크기가 25~35 nm로다른종류의입자에비해약간크고광투과율이다른종류보다약간낮으나, 비저항의경우 ITO가 10-2 ~10 0 Ω cm으로다른종류의분말보다우수한특성을나타낸다 [5]. 또한, Mitsubishi Materials사에서는이러한도전체분말을분산한용액도상용화하고있다. 분산액내의고형분농도는 17~20 wt% 로 ULVAC Materials사의투명도전체잉크와유사한수준이고, 입자의분산성을개선하여투과율을향상하였다. ATO 나노입자의경우 Figure 3(a) 와같이입도는약 10~15 nm로매우미세하고, 면저항은 Figure 3(b) 와같이 10 5 Ω/ 이상의수준으로투명도전체에적용하기엔적절하지않으나, Figure 3(c) 와같이장파장투과율이낮아에너지절감창 24 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 (a) 나노입자의입도및분포 (b) 도전체막의전기 / 광학적특성 * 출처 : 일본 Mitsubishi Materials Catalogue, 2016. Figure 4. ITO 기반열선차단재료의특성.

이와같이 Mitsubishi Materials사에서는산화물을기반으로한코팅액을대전및정전방지재, 전하조정제및자외선 / 근적외선차단제등다양한분야에적용하고있다. 이들무기물기반소재는투명성, 분산성과함께환경의존성이낮고내구성이높은장점을가지고있다.

또한 ITO는산화물의특성상전파를흡수하지않고투과시킬수있어, Low-E glass 및반사형필름등전자파가발생하는휴대전자기기등의통신장애가없는장점이있다.

향상하여에너지절감및 CO 2 발생을감소하는데기여할수있다. 2.3. Tohoku University 일본의 Tohoku University에서는 Gel-Sol 법을이용하여 ITO 나노입자를제조하는방법을개발, 기업과함께사업화를진행하고있는것으로알려지고있다.

4 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 (a) 나노입자의입도및분포 (b) 도전체막의전기 / 광학적특성 * 출처 : 일본 Mitsubishi Materials Catalogue, Figure 4. ITO 기반열선차단재료의특성. (c) 도전체막의장파장투광특성 * 출처 : 일본 Mitsubishi Materials Catalogue, Figure 3. ATO 나노입자코팅막의물성및특성. 호막에적용시적합할것으로보인다. 이와같이 Mitsubishi Materials사에서는산화물을기반으로한코팅액을대전및정전방지재, 전하조정제및자외선 / 근적외선차단제등다양한분야에적용하고있다. 이들무기물기반소재는투명성, 분산성과함께환경의존성이낮고내구성이높은장점을가지고있다. 특히 ITO 분말제품의경우 Figure 4와같이열선차단재료로적용할수있다. ITO 나노입자는태양광에의해실내가더워지는원인인근적외선을흡수하는열선차단특성을가지고있다. ITO의특성인높은가시광투과성과함께 ITO의반영구적내구성을가지고있어제품화에매우유리한장점을가지고있다. 또한 ITO는산화물의특성상전파를흡수하지않고투과시킬수있어, Low-E glass 및반사형필름등전자파가발생하는휴대전자기기등의통신장애가없는장점이있다. 이러한특성으로창호 의투명열차단필름, 열차단유리및투명플라스틱성형판등에적용될수있고, PET에코팅한막의가시광투과율은기재포함 80%, Haze는 1.6% 수준이다. 또한, 기존제품대비열차단율을약 3% 향상하여에너지절감및 CO 2 발생을감소하는데기여할수있다 Tohoku University 일본의 Tohoku University에서는 Gel-Sol 법을이용하여 ITO 나노입자를제조하는방법을개발, 기업과함께사업화를진행하고있는것으로알려지고있다. Gel-Sol 법은나노급의 Gel 망을제작하고그망안에서입자를석출하여입자가망안에서성장이완료되면망을제거함으로써나노입자를제조하는방법이다. Gel-Sol 법으로 Figure 5 와같이 20~30 nm 크기의나노입자를제조할수있고, Gel 망의형상을제어함으로써입방체등다양한형상의나노입자를제조할수있다 [6]. Gel-Sol 법으로제조한 ITO 나노입자는 (200) 우선방위의결정상을가지고있어일반적인 (222) 우선방위의 ITO 결정상과는차이가있고비저항은 Ω cm으로비교적높은저항값을나타내고있다. KIC News, Volume 19, No. 4,

기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : IEEE Trans. Nanotechnol., 7, 172-176 (2008). Figure 6. 저온합성법으로제조된 ITO 나노입자. 면저항이약 102 Ω/ 수준으로매우양호한특성을가짐을알수있다. 또한투과율도양호하고, 전사방식으로유연기판상에제조시유연투명도전체로서활용이가능하다.

전자부품연구원 전자부품연구원에서는저온합성법및석출법을이용하여 ITO 나노입자를제조한다. 저온합성법은기존의습식공정에서사용되는 Cl - 및 NO - 3 성분을제거하여후처리온도를기존의 50% 이하로낮춘합성기술이다. 특히유해성분을사용하지않으므로폐수가발생하지않고공정단계도기존보다감소된장점을가지고있다.

열처리온도에따른 ITO 입자의비표면적은기존공정온도인 600 로제조한경우 25 m 2 /g을나타내는반면온도를낮추어 300 로제조한경우 100 m 2 /g 이상으로, 이를입도로환산할경우평균 5 nm 크기의초미세급나노입자를얻을수있다.

5 기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : IEEE Trans. Nanotechnol., 7, (2008). Figure 6. 저온합성법으로제조된 ITO 나노입자. 면저항이약 102 Ω/ 수준으로매우양호한특성을가짐을알수있다. 또한투과율도양호하고, 전사방식으로유연기판상에제조시유연투명도전체로서활용이가능하다. * 출처 : (Japanese domestic) 10th Annual Meeting of Society of Nano Science and Technology Abstract Book, p. 67 (2012). Figure 5. Gel-Sol 법으로제조된 ITO 나노입자 전자부품연구원 전자부품연구원에서는저온합성법및석출법을이용하여 ITO 나노입자를제조한다. 저온합성법은기존의습식공정에서사용되는 Cl - 및 NO - 3 성분을제거하여후처리온도를기존의 50% 이하로낮춘합성기술이다. 특히유해성분을사용하지않으므로폐수가발생하지않고공정단계도기존보다감소된장점을가지고있다. Figure 6 에저온합성법을적용하여제조한 ITO 나노분말입자를나타내고있다 [7]. ITO 나노입자합성에저온합성법을적용하면 600 에서 300 로낮출수있고, 이로써기존보다작은 10 nm 이하의초미세나노입자를제조할수있다. 열처리온도에따른 ITO 입자의비표면적은기존공정온도인 600 로제조한경우 25 m 2 /g을나타내는반면온도를낮추어 300 로제조한경우 100 m 2 /g 이상으로, 이를입도로환산할경우평균 5 nm 크기의초미세급나노입자를얻을수있다. 또한, 저온합성법으로제조된 ITO 나노입자는 (222) 우선방위의입방정구조이고, 입자를분산하여제조한잉크의특성은 600 열처리시 3. 나노선기반유연투명도전소재이와같이 ITO 잉크등용액기반의소재를적용할경우면저항등전기적특성이기존스퍼터링방법보다는저하되는것을알수있고, 이에따라저항특성개선을위해은나노선 (Ag NWs) 를도입하여투명전극을제작하는연구가활발히전개되고있다 [8]. Ag NWs는폭은약 20~40 nm, 길이는수 ~ 수십 µm 형태의와이어가용액중에분산되어있는소재로서미국의 Cambrios 및한국의중소업체들에서상용화, 판매하고있다. Ag NWs는높은종횡비로인해 0.5 wt% 이하의낮은농도에서도우수한전기적특성을나타낼수있다. 또한, Ag 소재의유연한특성으로플라스틱기반의유연기판에적용및특성개선이가능하다. Ag NWs 투명전극은국내외여러기업및기관, 학교등에서활발하게기술개발이전개되고있는데, Ag NWs의약점은내열성이약한것이다. 즉, 200 이상의고온에서는 Ag NWs가녹으면서와이어고유의특성을잃게된다. 이를개선하기위해산화물을이용하여코팅을하는등다양한방법으로 Ag NWs의개선을위한연구를전개하고있다 [9]. 전자부품연구원에서는 ITO 잉크 (ITO-inks) 를 Ag NWs와하이브리드구조로투명전극을제작, 26 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 15, 7997-8003 (2015). Figure 8.

ITO 잉크층에의한 Ag NWs 투명전극의열적취약성개선. 이러한문제를개선하였다. Ag NWs 층이 ITO 나노입자층위또는아래에위치한 2층구조및 ITO 나노입자층이 Ag NWs 층위-아래로위치한 3층구조이다.

전자부품연구원에서이러한하이브리드구조를 PET 기판위에적용한경우 Figure 8과같이매우유연한투명전극기판이형성되었다.

앞으로도이러한플렉서블및웨어러블기반의투명전극이요구될것으로예상되고, 이러한기술개발은계속전개되고있다.

6 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 15, (2015). Figure 8. ITO-NPs/Ag NWs 하이브리드구조의투명전극유연기판 (PET 필름적용 ). * 출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 14, (2014). Figure 7. ITO 잉크층에의한 Ag NWs 투명전극의열적취약성개선. 이러한문제를개선하였다. Ag NWs 층이 ITO 나노입자층위또는아래에위치한 2층구조및 ITO 나노입자층이 Ag NWs 층위-아래로위치한 3층구조이다. 이러한구조를사용시 Figure 7 과같이 Ag NWs 1층을사용하여발생하는열적인취약성을개선할수있다 [10]. 또한, 이러한구조는 PET 필름등플라스틱기반의플렉서블기판에도적용이가능하다. 전자부품연구원에서이러한하이브리드구조를 PET 기판위에적용한경우 Figure 8과같이매우유연한투명전극기판이형성되었다. 면저항특성은약 23 Ω/, 광투과율은 550 nm에서약 87% 의양호한특성을나타내었고, Figure 9와같이 100~130 에서의시효및휨시험에서도안정된특성을나타내었다 [11]. 앞으로도이러한플렉서블및웨어러블기반의투명전극이요구될것으로예상되고, 이러한기술개발은계속전개되고있다. 이와같이 Ag NWs는열에매우취약하여이를극복하기위한방안으로 ITO 나노입자외에도소재를 Ag 대신니켈 (Ni) 로사용하여나노선을제조 (a) 열시효특성 (b) 휨특성 * 출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 15, (2015). Figure 9. ITO-NPs/Ag NWs 투명전극 PET 기판의특성. 하는기술을개발하고있다 [12]. 이러한 Ni NWs 는일본의 Unitika사에서개발하고있는데, 투과율이 90% 일경우면저항은약 ~10 3 Ω/ 수준으로 Ag NWs보다는높은수준이나, 분산성및선폭, 형상등물성을최적화하여면저항을낮출경우 Ag NWs와함께유연투명전극에적용이가능할것으로보인다. KIC News, Volume 19, No. 4,

기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Ushino Inc. catalogue, 2016. Figure 10. Printable Patterning의적용분야제안 ( 일본 Ushino사 ). 4.

7 기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Ushino Inc. catalogue, Figure 10. Printable Patterning의적용분야제안 ( 일본 Ushino사 ). 4. 웨어러블디바이스의동향및투명전극응용전망일본의 Ushino사에서는 Printable Electronics 재료를이용하여 Organic transistor, Sensor 및 Bio Device 등다양한분야에적용될수있도록 Printable Patterning 방식의 VUV-aligner를개시하였다. Printable Patterning 공정은기존 Patterning과는달리감광제를코팅및부분적인친수화노광에의한발수막제거 (SAM 막제거 ) 로현상, 엣칭, 감광제제거공정을단축하고그위에잉크를도포하여패터닝하는공정이다. 이러한공정을이용하여감광제를막두께 260 nm로코팅, 길이및선폭이각각 5 µm 및 5 µm인패턴을구현할수있고, 공정단계를저감함으로써제조단가감소및저온처리가가가능하며, 대기하에서도사용이가능하다는장점이있다. 그러나이전의인쇄전자와같이이공정도금속등기능성막을형성하기위해도전성잉크등을사용하고, 이로부터기존인쇄전자가한계를나타낸진공증착박막과의성능차이를극복하는것이매우중요한과제일것으로보인다. ITO 투명전극의경우에도스퍼터링에의한박막의특성이잉크를이용한박막보다양호하기때문에이러한 VUV-aligner 공정을이용한다고하더라도그러한소재측면에서그러한한계를어떻게극복할지숙제가남아있다고할수있다. 다만이러한잉크기반의 Printable Patterning 공정은기존의스퍼터링박막이가지고있는한계인플렉서블및웨어러블디바이스에적용하는측 면에서한층발전한것이라할수있다. 특히단순패턴의경우미세패터닝이가능하기때문에생산성측면에선인쇄전자보다우수한점이라할수있다. Figure 10과같이 Ushino사에서는이러한기술을이용하여플렉서블 / 웨어러블기판에패턴을형성하고, 이를피부에부착함으로써인체부착형전자까지가능하게할수있는기반을마련한것으로파악되었다. 응용분야로는 Organic Transistor, Flexible Sensor 및 Bio Device 등을제시하고있다. 이러한응용을가능하게하기위해선우선인체유해성을없애고, 피부밀착에의한주름등기판이구부러지더라도양호한밀착력을유지해야하며, 유연성이좋아서어느굴곡에서든지변형이일어나지말아야하고, 외부환경에대한안정성및신뢰성이확보되어야하는숙제가남아있다. 일본의 Yamagata Univ. 의유기일렉트로닉스연구센터에서는건강에안심안전한사회생활을지속하기위해언제어디서라도간단히신체의상태를계측할수있는유기트랜지스터를활용한바이오센서의개발을진행하고있다. Figure 11과같이땀, 침, 혈액등검출대상을바이오센서 ( 스트레스검출 ), 환경센서 ( 집먼지등검출 ), RF-ID Tag ( 물류의감시 ), 균형센서 ( 진동감지 ), 선도센서 ( 안전한식료품 ) 등을가정에장착하여사람의건강등여러가지상태를모니터링하는것이다. 이러한기술을적용시간단하게복수의이종 marker를동시에검출하고, 인쇄형유기트랜지스터를활용함으로써얇고플렉서블한센서를자연스럽게장착이가능하다. 유기 FET 바이오센서를개발한예는연장게이트유기 FET를이용하여 28 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : 일본 Yamagata University catalogue, 2016. Figure 12. 인쇄형유기 TFT의회로집적화및응용디바이스기술 (Yamgata Univ. 유기일렉트로닉스연구센터 ). * 출처 : 일본 Yamagata University catalogue, 2016. Figure 11.

따라서, 이를적용하여향후센서디바이스를헬스케어에응용하기위한연구를계속하고있다. 즉, 사람의분비물로부터의검출실증시험, 異種 marker의동시검출및유기 RF-ID 기능과합친새로운센서디바이스의개발등을계속수행하고있다. 또한, 본랩에서는인쇄형유기 TFT의회로집적화기술을개발하고있다.

8 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : 일본 Yamagata University catalogue, Figure 12. 인쇄형유기 TFT의회로집적화및응용디바이스기술 (Yamgata Univ. 유기일렉트로닉스연구센터 ). * 출처 : 일본 Yamagata University catalogue, Figure 11. 유기트랜지스터를활용한플렉서블바이오센서의적용 (Yamgata Univ. 유기일렉트로닉스연구센터 ). 산이온및비표식 IgA를검출, 인쇄듀얼게이트유기 FET의바이오센서응용등이다. 인쇄형유기 Field Effect Transistor (P-OFET) 디바이스는정신스트레스를측정하고질병을조기진단할수있는웨어러블센서에적용할수있다. 따라서, 이를적용하여향후센서디바이스를헬스케어에응용하기위한연구를계속하고있다. 즉, 사람의분비물로부터의검출실증시험, 異種 marker의동시검출및유기 RF-ID 기능과합친새로운센서디바이스의개발등을계속수행하고있다. 또한, 본랩에서는인쇄형유기 TFT의회로집적화기술을개발하고있다. 즉, 사람및물건의표면에장착이가능한인쇄방법으로제작이가능한플렉서블유기 RF-ID 시스템을개발하여생체센서의감지정보를무선통신으로인터넷에접속하여빅데이터의활용을가능하게할수있다. TFT의 source-drain의전극간격 (channel 길이 ) 은 1~10 µm의고정밀도인쇄가가능하고, Si-LSI와유기집적회로의 hybrid형을의류에장착하거나스마트유기 chip을신체에부착할수있다. 새로개발된미세프린팅기술을적용하여, Figure 12와같이고기능성유기 RF-ID 디바이스를플렉서블기판위에제작, 데모까지한것으로알려져있다. 이러한플렉서블디바이스를적용하여집적센서를불규칙하고울퉁불퉁한표면의인체또는사물에장착한유기스마트시스템을구현할수있다. 본랩에서는이러한시스템을헬스케어관리서비스및상하기쉬운식료품의추적에적용하는것을추진하고있다. 이를위해전공정을인쇄로제작한유기 TFT의고이동도화, 단채널화에의한회로의고성능화와고집적화를그려센서와 RF-ID 회로를일체화한스마트유기 chip의개발을진행하고, 의료, 헬스케어, 식품관리분야등에사회실현을목표로하고있는것으로알려져있다. 따라서이러한분야에나노소재를적용한투명도전체등을개발및적용하여이보다성능을더향상할수있을것으로보인다. 일본의산업계에서는이러한웨어러블디바이스기술을이용하여상용화를추진하고있다. 섬유전문기업인일본의직물전문회사인 Gunze사에서는기존에보유하고있는봉제및편조직기술에다양한웨어러블전자회로의디자인및제조기술을접목한웨어러블기술로다양한기능의웨어들을개발하고있다. Gunze사에서보유하고있는기술로디자인성, 쾌적성, 추종성, 속건성, 신축성, 통기성, 흡습성, 탄력성, 스트렛치성, 전기전도성등의복에필요한특성을가지면서인간과장치간의인터페이스의다양한기능을구현할수있는웨어를개발하고있다. Gunze사는보유하고있는기술을조합하여, 웨어러블에요구되는히트와의인터페이스로서의다양한기능을구현하고, 웨어러블용소재및제품, 그리고이를이용한서비스등을지속적으로개발, 가치를창출하고있다. 예를들면, 바이탈데이타취득용웨어, 의료형웨어러블시스템, 가축냉감시스템, 도전성니트 KIC News, Volume 19, No. 4,

기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016. Figure 13. 웨어러블시스템이미지 ( 일본 Gunze사 ). * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016. Figure 14. 바이탈데이터취득용웨어및사용예 ( 일본 Gunze 사 ). 선재, 발열니트, 터치센서등이있다.

특히, Gunze 자체의일관생산라인, 즉재료의가공, 편직, 이차가공 ( 염색, 부가가치가공등 ), 봉제와웨어의제조라인을일관적으로소유하고있어거의모든요구사항을신속히대응할수있는것으로알려지고있다. 구체적인기술로는쾌적한웨어설계및제조기술을들수있다.

쾌적성의경우기대치및마음의준비등안정적인감정을의복내의온 습도및착압등수치로서정량화하였고, 실제착용상태및쾌적 성을 Thermography 및 3D scan 등다양한측정기로써가시화하고있다. 또한, Gunze에서는의류내에회로를설계하고, 전기배선을제조하는기능성웨어러블기술을개발하고있다. Figure 13에웨어러블시스템의이미지를나타내고있다.

9 기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, Figure 13. 웨어러블시스템이미지 ( 일본 Gunze사 ). * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, Figure 14. 바이탈데이터취득용웨어및사용예 ( 일본 Gunze 사 ). 선재, 발열니트, 터치센서등이있다. Gunze사에서는기존의웨어를사용하여일반적인섬유로부터금속섬유까지 Gunze가보유한편직및다양한요구에대응하여폭넓은소재의선택이가능한노하우로니트화가가능하다. 또한, 편직조직의자유도가높아서, 디자인표현이다양하고, 니트기술기반의통기성, 신축성, 유연성등의기능성재료설계및제조를자유로이할수있다. 특히, Gunze 자체의일관생산라인, 즉재료의가공, 편직, 이차가공 ( 염색, 부가가치가공등 ), 봉제와웨어의제조라인을일관적으로소유하고있어거의모든요구사항을신속히대응할수있는것으로알려지고있다. 구체적인기술로는쾌적한웨어설계및제조기술을들수있다. 이를위해쾌적한설계를생산하는전문부분및생리학적견지에기초한웨어와신체의기초연구를근간으로하는전문평가부분을상설한것으로알려지고있다. 이러한데이터축적과이론을융합하여다양한요구에적합한의류패턴의자체작성이가능하다. 쾌적성의경우기대치및마음의준비등안정적인감정을의복내의온 습도및착압등수치로서정량화하였고, 실제착용상태및쾌적 성을 Thermography 및 3D scan 등다양한측정기로써가시화하고있다. 또한, Gunze에서는의류내에회로를설계하고, 전기배선을제조하는기능성웨어러블기술을개발하고있다. Figure 13에웨어러블시스템의이미지를나타내고있다. 그림과같이웨어러블의전기배선을통해생체전기신호의검출및낮은접촉저항의실현과안정성을개발하고있다. 또한, 터치패널제조공정을이용하여스크린프린팅으로신축가능한전기배선도형성이가능하여이를개발중인것으로알려져있다. 워에러블시스템은일본전기주식회사 (NEC) 와의기술협력하면서개발중인것으로알려지고있는데, 심박수등바이탈데이터를체크할수있는웨어시스템및기능성웨어와클라우딩서비스를이용하여서비스프로그램을고객에제공하는기술을개발하고있다. 이러한기술의특징및장점으로는소비칼로리, 심박등생체정보를계측할수있고, 인체에의추종성이높은니트소재에구성된장세센서를사용하며, 웨어는장시간착용이가능한통기성이있고세탁도가능하고, 계측통신디바이스 ( 웨어에장착 ) 유연한케이스로보호할수있다는것이다. 30 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016. Figure 15. 발열니트 ( 일본 Gunze사 ). * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016. Figure 16.

이와함께 Gunze사에서는 Figure 14와같이쾌적성과기능성을겸비한바이탈데이터취득용웨어를개발하고있다.

Gunze사에서는 Figure 15와같이발열니트도개발하고있는데, 이는편직기술로종이위에회로를형성하여외부전원에의해특성부위를발열할수있는니트구조물이고, 이와같이생지에직접회로배선을편성함으로써착용감을해치지않는특징이있다.

또한, 웨어러블회로배선을위해금속세선, 금속도금시스템등의도전성섬유를편집한유연신축성이있는도전성니트선재를개발하고있다 (Figure 16). 이는금속도금방식으로유연성및통기성이우수하고, 신축에의한저항변화특성의설계가가능하다.

10 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, Figure 15. 발열니트 ( 일본 Gunze사 ). * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, Figure 16. 도전성니트 ( 일본 Gunze사 ). 이러한웨어기술은스포츠클럽의서비스프로그램및종업원관리프로그램등에적용하는것을검토하고있는것으로알려지고있다. 이와함께 Gunze사에서는 Figure 14와같이쾌적성과기능성을겸비한바이탈데이터취득용웨어를개발하고있다. 이러한바이탈데이터취득웨어는착용감이양호한쾌적웨어를설계하여부분착압및쾌적소재로장시간의착용이편하고, 쉬운착의및탈의를설계함으로써일상착용이용이하며, 용도에대응한착압을설계하여메디컬스타킹, 컴프레션웨어등에배로착압기술에착압부분및착압강도를제어할수있는장점이있다. 또한, 배선에의한디바이스배터리및전극을자유롭게배치하여자유로운설계가가능하고, 유연한발열이가능하여, 디바이스의장착으로심박수, 심전도, 체온등의바이탈데이터의취득이가능한스포츠트레이닝, 일상의헬스웨어등에적용이가능한것으로알려지고있다. Gunze사에서는 Figure 15와같이발열니트도개발하고있는데, 이는편직기술로종이위에회로를형성하여외부전원에의해특성부위를발열할수있는니트구조물이고, 이와같이생지에직접회로배선을편성함으로써착용감을해치지않는특징이있다. 또한, 낮은저항을가진배선의 길이및크기를변화시켜저항을제어함으로써발열을구현, 발열부의위치를자유로이설정이가능하고, 발열양말, 발열타이즈등국부적으로발열하는다양한제품에구현이가능한것으로알려지고있다. 또한, 웨어러블회로배선을위해금속세선, 금속도금시스템등의도전성섬유를편집한유연신축성이있는도전성니트선재를개발하고있다 (Figure 16). 이는금속도금방식으로유연성및통기성이우수하고, 신축에의한저항변화특성의설계가가능하다. 또한, 에나멜 Cu 선 type도있는데, 금속도금 type과비교하여저항이낮고, 표면이절연되어있어, 내열성섬유와에나멜선의복합화에의한접합이가능하다. 실제배선길이는니트배선길이의약 5~6배정도이다. 이와같은도전성니트선재는각종도전성니트의재료선택편직방법특성을설계하고, 액정표시용 12C 통신, LED 점등제어등유연한신호선제작이가능하며, 직경 30 µm, 7가닥의에나멜선, 4코스에형성한경우배선의저항이 5 ohm/cm로저항이낮은장점을가지고있다. 또한, Gunze사에서는 Figure 17과같이곡면및옷감에정전용량터치센서, 즉, 3차원형상의수지및유연성니트소재를이용한정전용량형터 KIC News, Volume 19, No. 4,

기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016. Figure 17. 정전용량터치센서 ( 일본 Gunze 사 ). 치센서를개발하고있다. 이러한센서의특징은곡면및유연한터치센서를구현함으로써자유도가높은디자인이가능하고, 3차원형상의플라스틱에전극을형성하고, 그후레이져조사및도금공정으로복잡한곡면에도검지전극형성이가능하다.

이상과같은응용분야에서투명전극을이용하여색감등감성을살리면서기능성을보강할수있는웨어러블일렉트로닉스를구현시소비자의기호에맞는웨어를구현할수있는가능성을알수있고, 특히투명전극용나노소재를적용함으로써기존응용기술들이나타낼수있는약점들, 즉산화, 부식, 열화등을예방하여내구성이우수한제품구현도가능할것으로보인다. 5.

11 기획특집 : 미래산업대응소재 * 출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, Figure 17. 정전용량터치센서 ( 일본 Gunze 사 ). 치센서를개발하고있다. 이러한센서의특징은곡면및유연한터치센서를구현함으로써자유도가높은디자인이가능하고, 3차원형상의플라스틱에전극을형성하고, 그후레이져조사및도금공정으로복잡한곡면에도검지전극형성이가능하다. 또한, 도전성섬유의니트배선과전극을형성함으로써도전성섬유의배선형상편직으로유연한도전패턴의형성이가능하다. 이러한터치센서는반구입력디바이스, 멀티터치 XY 좌표검출 (4점터치위치를좌표검출운전석의제어로조작 ) 및옷감피아노 ( 건반패턴을터치검출하여스마트폰에음성발신 ) 등에응용하는것을검토하고있으며소비자의기호에맞게고객맞춤형상용화를가능하게하는연구도병행하고있다. 이상과같은응용분야에서투명전극을이용하여색감등감성을살리면서기능성을보강할수있는웨어러블일렉트로닉스를구현시소비자의기호에맞는웨어를구현할수있는가능성을알수있고, 특히투명전극용나노소재를적용함으로써기존응용기술들이나타낼수있는약점들, 즉산화, 부식, 열화등을예방하여내구성이우수한제품구현도가능할것으로보인다. 5. 결언본고에서는기존의 ITO 박막을대체하여유연한특성을나타낼수있는투명도전체용나노소재의동향및웨어러블디바이스의동향을살펴보고이로써투명도전체용유연나노소재의웨어러블디바이스에적용전망에대해고찰하였다. 투명도전체는앞으로도정보디스플레이, 태양전지, * 출처 : NanoMarkets Report, Figure 18. 투명도전체용 Ag NWs 시장전망 [13]. LED, 터치패널, 전자파차폐등향후에도다양한분야에적용되면서지속적으로관련시장이성장할것으로보인다. 또한, 유연특성을갖춘투명도전용나노소재는앞서살펴본웨어러블디바이스에도적용이가능할것으로보인다. 비록당분간은 ITO 증착소재가주류를이룰것으로보이지만, 웨어러블에적용시필요한유연성의한계를나타내고있어이를대체할나노소재들, 특히그가운데 Ag NWs 관련시장이많이성장할것으로전망된다. 세계적인시장조사기관인 Nanomarkets 에서는 Figure 18과같이 Ag NWs 소재가 2022년에는약 10억불의규모로성장할것으로전망하고있다 [13]. 또한, 웨어러블시장은 2015년에 46조이상의규모를형성하고, 향후 10년내 133조이상의규모를형성할것으로전망되고있다 [14]. 그러나, 디바이스에적용및 ITO 증착소재를넘어상용화에성공하기위해선 Ag NWs의약점을보완할수있는연구가지속적으로전개되어야한다. 또한, 이들이향후전개될웨어러블디바이스시장에서성공적으로상용화될수있도록많은기술개발및상용화노력이필요할것으로보인다. 32 공업화학전망, 제 19 권제 4 호, 2016

유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 참고문헌 1. K. Suganuma, Ink-jet writing of fine pitch circuits with metallic nano particle pastes (in Japanese), CMC Publications, Tokyo, Japan (1985). 2. Sung-Jei Hong et al.

12 유연투명도전용나노소재와웨어러블디바이스응용전망 참고문헌 1. K. Suganuma, Ink-jet writing of fine pitch circuits with metallic nano particle pastes (in Japanese), CMC Publications, Tokyo, Japan (1985). 2. Sung-Jei Hong et al., Manufacturing technology of nanoparticle for digital printing using clean process, Journal of KWJS, 26(2), (2008). 3. M. Oda, et al., Individually dispersed nanoparticles formed by gas evaporation method and their applications, Printed Electronics Asia 2007 Presentation ano-metal-ink/ito-series A. Muramatsu et al., Synthesis of tin-doped indium oxide (ITO) nanoparticles by Gel-Sol method in liquid phase and their conductivity, 10 th Annual Meeting of Society of Nano Science and Technology Abstract Book, p. 67 (2012). 7. S.-J. Hong et al., Development of ultrafine indium tin oxide (ITO) nanoparticle for ink-jet printing by low-temperature synthetic method, IEEE Transactions on Nanotechnology, 7(2), (2008). 8. W. He et al., Flexible transparent conductive films on the basis of Ag nanowires: Design and applications: A review, Journal of Materials Science & Technology, 31, (2015). 9. H. H. Khaligh et al., Failure of silver nanowire transparent electrodes under current flow, Nanoscale Research Letters, 8, (2013). 10. S.-J. Hong et al., Solution-processed silver nanowire/indium-tin-oxide nanoparticle hybrid transparent conductors with high thermal stability, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 14, (2014). 11. S.-J. Hong et al., Enhancement of characteristics of transparent conductive electrode on flexible substrate by combination of solution-based oxide and metallic layers, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 15, (2015). 12. H. Takeda et al., Preparation of surfacemodified nickel nanowire by polyol reduction, 14 th Annual Meeting of Society of Nano Science and Technology Abstract Book, p. 127 (2016). 13. NanoMarkets Report: Market Opportunities for Metal Meshes as Transparent Conductors, , March 홍성제 2005~2006 Tohoku University 지능디바이스재료학공학박사현재전자부품연구원디스플레이소재부품연구센터수석연구원 한정인 1985~1988 한국과학기술원재료공학과공학박사 1989~1992 삼성전자주식회사반도체연구소및 TFT-:LCD Division 1992~2010 전자부품연구원디스플레이연구센터센터장 / 수석연구원 2003~2004 MIT MTL Visiting Scientist 2004~2007 ( 주 ) 한솔케미칼사외이사 2010~2013 SPMC 대표이사 2010~ 현재동국대학교화공생물공학과교수 2016~ 현재한국과학기술연구원방문연구원 KIC News, Volume 19, No. 4,

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA 25 특집 : 차세대잉크프린팅재료및배선기술 Manufacturing Technology of Nanoparticle for Digital Printing Using Clean Process Sung-Jei Hong, Tae-Whan Hong, Sang-Hern Kim and Jeong-In Han 1. 서론 최근전자 정보 통신제품의경 박 단 소화와다기능화추세에따라회로등소자의고밀도패턴닝기술이요구되고있고,