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경영 원
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기술특집 나노메쉬형투명전극기술동향 김동윤 2, 김동유 2, 배광태 1, 한현 1, 노용영 1,* ( 1 한밭대학교화학공학과, 2 광주과학기술원신소재공학과 ) Ⅰ. 서론 최근평판디스플레이나태양전지의발달로인해서투명한전극소재에대한사용량이비약적으로증가하였다.

특히보다최근에는인쇄기술을바탕으로제조된유연전자소자가차세대핵심소자로떠오르면서이러한소자에적용할수있는투명전극소재및공정에대한연구도주목을받고있다. 인쇄가가능한투명전극소재는앞서언급한유연전자소자뿐만아니라딱딱한 (rigid) 기존의평판디스플레이에투명전극도가격경쟁력있는인쇄공정으로구현가능하기때문에성공적인개발이이루어진다면많은산업적수요가있을것으로예상된다.

우수한투명전극이되기위해서는비저항이 10-5 Ω/cm 이하, 면저항이 10 Ω/cm 2 이하로서 380 ~ 780 nm의가시광선영역에서의투과율이 80% 이상이라는두가지조건을만족시켜야한다. 현재투명전극으로사용될수있는재료로는금속, 금속산화물, 전도성고분자, 탄소재료등을들수있다.

1 기술특집 나노메쉬형투명전극기술동향 김동윤 2, 김동유 2, 배광태 1, 한현 1, 노용영 1,* ( 1 한밭대학교화학공학과, 2 광주과학기술원신소재공학과 ) Ⅰ. 서론 최근평판디스플레이나태양전지의발달로인해서투명한전극소재에대한사용량이비약적으로증가하였다. 하지만기존의 ITO(indium tin oxide) 을기반으로하는투명전극 (Transparent electrode) 소재는인튬의고갈이나, 재료의낮은전도도등으로인해서새로운투명전극용소재의개발에대한연구가활발히진행되고있다. 특히보다최근에는인쇄기술을바탕으로제조된유연전자소자가차세대핵심소자로떠오르면서이러한소자에적용할수있는투명전극소재및공정에대한연구도주목을받고있다. 인쇄가가능한투명전극소재는앞서언급한유연전자소자뿐만아니라딱딱한 (rigid) 기존의평판디스플레이에투명전극도가격경쟁력있는인쇄공정으로구현가능하기때문에성공적인개발이이루어진다면많은산업적수요가있을것으로예상된다. 투명전극이란가시광선영역의빛을투과하면서도전기전도성을가지는기능성박막전극으로평판디스플레이, 터치패널, 태양전지등의전극기판으로널리사용되고있다 [ 그림 1]. 우수한투명전극이되기위해서는비저항이 10-5 Ω/cm 이하, 면저항이 10 Ω/cm 2 이하로서 380 ~ 780 nm의가시광선영역에서의투과율이 80% 이상이라는두가지조건을만족시켜야한다. 현재투명전극으로사용될수있는재료로는금속, 금속산화물, 전도성고분자, 탄소재료등을들수있다. 금속박막전극의경우높은전도도를가지고있지만낮은투과율로인해투명전극으 로적절하지않으며, 전도성고분자및탄소재료는낮은전도도및공정상의문제, 높은투명도와전도도를동시에얻기어려움등으로인해상업화단계에이르기에는보다많은연구를필요로한다. 금속산화물을이용한투명전극은가장많이사용되고있는재료로서대표적으로산화인듐주석 (ITO) 이있으며, 투과도가우수하고비교적낮은저항값이갖기때문에디스플레이시장에서널리쓰이고있다. 그러나최근디스플레이산업과시장이크게성장하면서 ITO의주원료인인듐의가격이급등, 5년전의 10배수준인 kg당 $1000를호가하고있다. 또한 ITO 박막제조시사용되는고가의진공장비로인해단가가상승하고 ITO전극특성상외부충격에쉽게부서지기쉽고, 박막을휘어지거나접을시기계적인안정성이취약한점등저가의유연전자소자의발전방향에부합하지않는단 [ 그림 1] 투명전극의적용분야 2010 년제 11 권제 5 호 47

기술특집 [ 표 1] 투명전극시장규모 ( 단위 : 억달러 ) 구분 2008 2009 2010 2011 2012 CAGR 세계 109 119 130 141 154 9% 국내 5.5 6.0 6.5 7.1 7.7 9% 자료 : Display Search(2005), CLSA, Deutche Bank, 투명전자 소자 (2008.9.3) 점을지니고있다. Ⅱ.

2 기술특집 [ 표 1] 투명전극시장규모 ( 단위 : 억달러 ) 구분 CAGR 세계 % 국내 % 자료 : Display Search(2005), CLSA, Deutche Bank, 투명전자 소자 ( ) 점을지니고있다. Ⅱ. 나노메쉬 (Mesh) 형투명전극 기존의투명전극소재들의단점을해결할수있는보완전극의연구가절실하며, 이에새롭게부각되고있는전극은금속전극에패턴을주어투과도를증가시키는금속그리드형태의투명전극이다. 금속전극이미세하게패터닝되어서나노메쉬 (Nano-Mesh) 형태가되면투과도가증가하면서금속자체의높은전도도를그대로유지되기때문에투명전극의필수요소인높은투과도와낮은면저항을동시에구현할수있게된다. 최근 Peter Peumans이이끄는스탠퍼드대학연구팀에서는보고한자료에의하면 400 nm 간격, 40 nm 선폭, 100 nm 높이의그리드를금속으로제작하면 TE와 TM 모드에서가시광영역에서 95 ~ 99% 의높은투과도를보인다는시뮬레이션결과를보고하였다 [1]. 이러한결과는현재투명전극으로사용되고있는 ITO와비교할때동일한면저항에서보다높은투과도를나노메쉬형투명전극에서구현가능하다는것을보여주고있다. 나노메쉬는순수하게나노메쉬만을이용한경우와나노메쉬와 PEDOT, ITO 같은기존에알려져있는전도성물질로추가적인박막을형성하여전도도를향상시키는방법으로나눌수있다. 전자의방법은나노메쉬사이의빈공간의전도도를보장할수없어서메쉬를구성하는선간격과선폭을가능한최소한으로구현해야하는어려움이있는반면에후자는전도도가비교적낮으나투명도가금속에비해서높고전면도포에용이한전도성물질을나노메쉬위에도포하여전도도가높은나노메쉬까지수평으로이동할때발생하는수평저항을줄일수있는방법이다. 따라서후자의방법 [ 그림 2] (a) 투명전극의면저항에따른투과도, (b) Ag 나노메쉬의 TE mode 와 TM mode 따른투과도 은높은투과도를보이지만금속에비해상대적으로낮은전도도를가지는전도성물질들과투과도문제로인해필름전면을도포할수없는금속의단점을상호보완해주는방법이라고할수있다. 나노메쉬형투명전극개발의핵심요점은어떻게하면작은선폭과선간격을지닌금속메쉬를가능하면저렴하고간단한방법으로제작할수있는가하는것이다. 이를이전에는주로증착및식각과정 [ 그림 3] 나노메쉬형투명전극 48 인포메이션디스플레이

3 나노메쉬형투명전극기술동향 을거치는과정전통적인공정을통해서구현하였다. 그러나최근들어이를다양한인쇄방법으로대체하려는노력들이이루어지고있다. 하지만현재기술적수준으로인쇄기법을통해서투명전극에요구되는면저항과투명도를동시에만족시키는미세한선폭과선간격을지닌메쉬를제작하는것은매우어렵다고할수이다. 그러나이를극복하기위해서다양한고해상도의인쇄장비나인쇄공정을개발중이다. 대표적인예로리버스그라비아오프셋, 그라비아오프셋, 셀프얼라인드프린팅 (self-aligned printing) 등의인쇄법이있다. Ⅲ. 프린팅방법및전극재료 나노메쉬형투명전극의가장큰장점중하나는다양한전극용잉크를이용한프린팅방법에의해비교적값싸게투명전극을형성할수있다는점이다. 프린팅공정을사용했을시기존의실리콘진공공정대비제작단가를 50 ~ 1000배정도낮출수있으며, 공정시얻어지는화학적인폐기물의발생을최소화할수있다. 프린팅방식은크게두가지로분류할수있는데잉크및제판과인쇄물이직접접촉을통해서인쇄가되는지그러지않은지에따라서 contact 방식과 non-contact 방식이있다. contact 방식의대표적인인쇄법으로는 gravure, offset, screen printing, nano-imprint lithography 등이포함되며, non-contact 방식에는 microarray printing, direct laser imaging, inkjet printing 등이포함된다. 일반적으로프린팅방식은 sheet type의 batch process와연속 web roll-to-roll process 모두에적용가능하나 web 기반의 R2R 공정은비교적빠른공정속도와 tack time을요구하므로빠른공정속도를지닌잉크재료등이적용되어야한다. 현재기술로볼때고해상도의나노메쉬전극을제작할수있는인쇄법은 nano-imprint lithography을들수있으나공정의속도가늦고공정비용이다소높다고할수있다. 보다범용적인인쇄법으로는 nano-imprint lithography 보다인쇄해상도는낮으나리버스그라비아옵셋, 그라비아옵셋, 셀프얼라인드프린팅등을꼽을수있다. 아래에서는그라비아옵셋, 리버스그라비아옵셋, 셀프얼라 인드프린팅을중심으로인쇄기법에대해소개하고인쇄기법에사용될수있는전극용잉크에대해서소개하고자한다. 1. 프린팅방법인쇄방식은대표적으로볼록판인쇄, 오목판인쇄, 평판- 오프셋인쇄방식, 드라이오프셋인쇄방식, 플렉소그래피인쇄방식, 공판- 스크린인쇄방식, 잉크젯방식, 기타인쇄방식으로나뉠수있다. (1) 볼록판인쇄볼록판인쇄는판의볼록부위에잉크를묻혀이것을피인쇄체에전이하는방식으로활판혹은볼록판인쇄방식 (letter press, relief printing) 이라고도부른다. 이것은가장단순한인쇄방식으로예전의목판및금속판인쇄가여기에속하며고무판이나감광성수지판을사용하는플렉소그래픽인쇄가볼록판인쇄에속한다. 장점 : 단순간단하며인쇄속도가비교적빠르고표면상태가비교적나쁜피인쇄체에도인쇄가가능 단점 : 대면적에서인쇄압을조절하기어렵고, 인쇄압이비교적커서인쇄판면에잉크가약간만나와도윤곽얼룩이생기기쉬움상기의특성으로활판인쇄방식은신문, 서적의인쇄를중심으로사용되고있다. (2) 오목판인쇄 : 그라비아인쇄오목판인쇄방식은오목판에잉크를채운후이를피인쇄체에전이시켜인쇄하는방식을말한다. 오목판인쇄중사진제판에의한방법을그라비아인쇄라말한다. 이러한오목판은주로 photolithograph 방식으로제작된오목판 ( 그라비아인쇄 ) 혹은조각식으로만든오목판이있는데, photolithograph 방식으로제작된오목판을사용하는그라비아인쇄가대표적이다. 그라비아판은동도금된실린더에재판하고, 경질크롬도금가공한것이대부분인데오목판의깊이는 2-40 um 정도가일반적이다 년제 11 권제 5 호 49

기술특집 [ 그림 4] 그라비아인쇄법의개념도 ( 출처 :OE-A) 장점 : 고속성, 제판의안정성이높아서연속인쇄, 롱런인쇄가가능, 원통형상의제판을이용한 R2R 인쇄가가능, 다양한점도의잉크의선택가능 단점 : 인쇄해상도낮음, 인쇄두께가수십 um로비교적두꺼움, 오목판에서잉크가남으면연속인쇄시인쇄품질저하, 제판의제작가격이비쌈, 피인쇄물의표면이일정해야함.

최근에는이러한단점을극복하기위해서다양한응용된그라비아인쇄방법이개발적용되고있다. 그중대표적이방법들이 gravure offset 인쇄법과 reverse gravure offset 인쇄법이다.

4 기술특집 [ 그림 4] 그라비아인쇄법의개념도 ( 출처 :OE-A) 장점 : 고속성, 제판의안정성이높아서연속인쇄, 롱런인쇄가가능, 원통형상의제판을이용한 R2R 인쇄가가능, 다양한점도의잉크의선택가능 단점 : 인쇄해상도낮음, 인쇄두께가수십 um로비교적두꺼움, 오목판에서잉크가남으면연속인쇄시인쇄품질저하, 제판의제작가격이비쌈, 피인쇄물의표면이일정해야함. 그라비아인쇄는폭넓은피인쇄체에적용될수있기때문에포장재료의인쇄에널리사용되고있다. 그라비아인쇄는재료의형상에따라서 sheet 인쇄나 web 인쇄가모두가능한방식이다. 그라비아인쇄법은고속, 대면적, 연속 web 인쇄가가능한큰장점을지니고있으나이를전자소자제작공정에적용하기에는인쇄해상도가낮고인쇄되는패턴의두께가두꺼운단점을지니고있다. 최근에는이러한단점을극복하기위해서다양한응용된그라비아인쇄방법이개발적용되고있다. 그중대표적이방법들이 gravure offset 인쇄법과 reverse gravure offset 인쇄법이다. gravure offset 인쇄법은오목인쇄방식인그라비아인쇄법과 Blanket roll을사용하여인쇄하는 offset 방식을결합한인쇄방식이다 (offset 인쇄법에대해서는아래참조 ). gravure offset 인쇄법은 gravure 인쇄법이가진낮은해상도의단점을보완하고자하여고안된방식이다. 보통그라비아인쇄법에서금속으로되어있는그라 비아의음각롤의홈에잉크가채워지고이를피인쇄체에전이하는방식으로인쇄가진행되는데이때음각롤의홈에채워진잉크가피인쇄체에전부전이되지않고남는경우가종종생기게된다. 이는금속으로제작된그라비아롤과잉크사이의접착력이피인쇄체기판과잉크사이의접착력보다우수하여생기기도하거나잉크의용매가인쇄전에증발하여음각롤표면에서오목한메니스커스가형성되면서나타나는현상이기도하다. 이러한패턴의불완전한전이는연속, 고속인쇄공정에서패턴모양이나해상도의변형을유발하게된다. 따라서이러한현상을방지하기위해서그라비아롤과피인쇄체기판사이에패턴을전달해줄수있는 Blanket roll를삽입하는방식인 offset 방식의인쇄법을적용하여인쇄의품질을향상시키는방식이 gravure offset 인쇄법이다. 따라서그라비아옵셋인쇄법을위해서는음각의그라비아롤과 Blanket roll 그리고피인쇄체기판의 3가지요소가필요하며그라비아음각에채워진잉크가잉크의흡착력이우수한 Blanket roll에전이되고다시 Blanket roll에서피인쇄체기판에전이되는방식으로인쇄가이루어지게된다 [ 그림 5]. gravure offset 인쇄법의해상도및인쇄품질을좌우하는중요한요소가바로 Blanket roll이며주로 rubber로제작되거나, PDMS 등 rubber like 한고분자소재를패턴전이를위한롤의표면으로사용하여제작된다. 장점 : 비교적높은해상도 ( 수십 um), 빠른인쇄속도, 대량인쇄가능 단점 : Blanket roll의잦은교체, 그라비아롤의높은제작가격 [ 그림 5] 그라비아옵셋인쇄법의개념 50 인포메이션디스플레이

나노메쉬형투명전극기술동향 gravure offset 인쇄법은기존그라비아인쇄법의단점인낮은해상도의단점을보완한방법으로써수 um 두께를지닌수십 um 해상도의패턴을비교적 high throughput 으로인쇄할수있다. 하지만인쇄공정을롤디스플레이의 backplane 제조에적용하기위해서는보다고해상도의얇은박막을인쇄해야할필요가생긴다.

5 나노메쉬형투명전극기술동향 gravure offset 인쇄법은기존그라비아인쇄법의단점인낮은해상도의단점을보완한방법으로써수 um 두께를지닌수십 um 해상도의패턴을비교적 high throughput 으로인쇄할수있다. 하지만인쇄공정을롤디스플레이의 backplane 제조에적용하기위해서는보다고해상도의얇은박막을인쇄해야할필요가생긴다. 가령 backplane TFT의경우 source/drain 전극은일반적으로수 um 정도의해상도가필요하며통상적인두께는수십 nm 정도이다. 이러한패턴을형성하기위해서는 gravure offset 인쇄법보다보다고해상도의인쇄방법이필요하다. 따라서최근에새롭게연구되고있는방법이 reverse gravure offset 인쇄법이다. Reverse gravure offset 인쇄법은 gravure offset 인쇄법과유사하지만이를역으로 (reverse) 이용하는방식을사용한다는데그차이점있다. 우선 reverse gravure offset 인쇄법은 Blanket roll에 slit die nozzle 등을이용해서얇고 uniform한잉크박막을형성하고 ( 보통의두께는인쇄를원하는패턴의두께임 ) 이를미리 photolithography 나 e-beam lithography 등을이용해서제작된패턴이새겨진 cliche 기판위에전이시킨다. 이때 cliche에새겨진패턴은실제형성하고자하는패턴의역모양을가지고있어서본인쇄법을 reverse gravure 라고부른다. 이렇게하여실제모양의 reverse한패턴을 cliche을통해서제거한후에 Blanket roll에남아있는패턴을실제피인쇄체기판위에전이하여원하는패턴을형성하게된다. 이러한 Reverse gravure offset 인쇄법은 gravure 인쇄법으로는비교적높은수 um의해상도를지닌패턴을형성할수있는방법이다. 형성한패턴의두께는비교적얇아서수십 nm에서수백 nm 정도의두께가일반적으로가능하다. 장점 : 높은해상도의인쇄가가능, 얇은두께의패턴형성가능 단점 : 인쇄품질이환경적요인에민감함, cliche 에미세패턴형성이어려움, cliche를매공정마다세척해야함. (3) Offset 인쇄 Offset 인쇄방식은앞서서설명한다른인쇄방식과는달리주로평판 ( 음각이나양각의의모양을가지지않음 ) 모양을지닌요철없는판면을이용하여인쇄하는방식에해당한다. 평판에요철이없는대신인쇄판이잉크와친한소수성부분과친수성부분으로구별되고따라서잉크는주로소수성부분에만존재하고잉크화친화력이낮은친수성부분은 dewetting에의해서잉크가존재하지않는다. 이러한원리로인해서 offset 인쇄에서는요철을지니지않는판면에서도인쇄가가능하다. 또한이러한평판면에인쇄된잉크는 blanket roll에전이되고다시이것이피인쇄체기판에전이되는방식으로인쇄가일어난다. 장점 : 딱딱한피인쇄체에도인쇄용이, 얇은박막의패턴가능, 인쇄판제작의용이 단점 : 잉크의물성이제한적, 인쇄기가복잡, 오랜잉크건조시간 [ 그림 6] 리버스그라비아오프셋의개념도 (4) 스크린인쇄스크린인쇄는틀에잡아당겨붙인스크린 (stencil, screen) 에감광성수지를도포하여노광함으로서잉크가인쇄되는부분에는구멍을만들고인쇄되지않는부분에는감광성수지가경화되어구멍이사라진스크린을사용하며 rubber squeeze를이용해서스크린위의잉크에가압을하면미리형성된구멍을통해서잉크가도출되어패 2010 년제 11 권제 5 호 51

(6) Self-aligned inkjet printing 2007년 Cambridge 대학 Cavendish 연구소의 Noh et al. 에의해서보고되었으며전도성잉크의두번프린팅을통해서 50 nm - 400 nm까지의초고해상도를지닌패턴을형성할수있는획기적인방법이라고할수있다 [4]. 구체적인공정방법은다음과같다.

6 기술특집 턴이형성되는인쇄법을말한다. (5) 잉크젯인쇄 Inkjet printing은아주작은노즐로부터액체방울이된잉크를도출시켜서피인쇄체에 dot pattern을형성하는인쇄법이다. 아주작은부피 ( 통상수십 pl) 의잉크를도출시키기위해서주로 piezoelectric transducer를사용하며전하를통해서부피가팽창된 piezoelectric 재료가강제로 droplet 형태의잉크를도출시키게된다. 통상적으로토출시키는잉크방울의직경은수십 um 정도이며노즐과피인쇄체간의비접촉식방법으로인쇄가이루어지게된다. (6) Self-aligned inkjet printing 2007년 Cambridge 대학 Cavendish 연구소의 Noh et al. 에의해서보고되었으며전도성잉크의두번프린팅을통해서 50 nm nm까지의초고해상도를지닌패턴을형성할수있는획기적인방법이라고할수있다 [4]. 구체적인공정방법은다음과같다.([ 그림 7]-(a) 참조 ) 우선기판위에첫번째전도성라인을잉크젯프린팅을통해서형성한다. 프린팅된전도성라인의표면에너지를전도성재료에따라서다양한표면처리방법을이용해서낮추어준다. 이어서두번째전도성라인을첫번째라인위에약간겹치게프린팅을한다. 이때전도성잉크와첫번째라인의표면간에 dewetting이일어나서두번째잉크가첫번째라인표면에서미끄러져기판에떨어지면서자연스럽게두라인사이에작은틈이형성되게된다. 이렇게형성된틈은전도성잉크와첫번째프린팅라인사이의반발력, 잉크용매의증발속도등에따라서 50 nm 부터 400 nm까지자유롭게조절가능하다 ([ 그림 7]-(b) 와 [ 그림 7]-(c)). 또한 self-aligned printing을통해서넓은면적을프린팅하고 8000개의 channel을동시에형성하였을때도공정이 uniform하게적용되었음을보고하였다. 이때사용되는전도성잉크로는전도성고분자나 metal nanoparticles 등을들수있으며전도성잉크의종류에따라서표면처리방법이다를수있다. 높은스위칭속도를지닌회로를제작하기위해이렇게형성된수백나노미터크기의패턴을 OTFT의채널에적용하였다. 이렇게제작된 OTFT는 6 V 이내의낮은구동전압과 0.2 cm 2 /Vs이상 [ 그림 7] (a)self-aligned inkjet printing 기술의모식도, (b) AFM 이미지, (c) 300nm 미세패턴의 SEM 이미지, (d) 넓은면적의 self-aligned printing을통한 4800개의 channel 동시형성 [ 그림 8] 다양한인쇄기법의해상도비교 의높은이동도를보여주었다. 또한 [ 그림 7]-(a) 에서볼수있듯이 Inverter 도 5 V 이내의낮은구동전압과 2 이상의높은 gain 값을보여주었다. 마지막으로채널길이에따라서회로의구동속도를측정하였을때 5 μm의채널길이를갖는 OTFT가 1.3 KHz을보여주었으나, selfaligned printing으로형성된 200 nm 채널길이를갖는 OTFT는이보다 1000배향상된 1.6 MHz의높은스위칭속도를보여주었다 [ 그림 7]-(b). 이는현재까지보고된잉크젯프린팅으로제작된 OTFT의최고성능에해당하며채널길이를줄임에따라서회로의구동속도가획기적으로높아짐을보여주는결과라고할수있다. 52 인포메이션디스플레이

7 나노메쉬형투명전극기술동향 2. 전극용재료전극을나노메쉬형태로패턴하기위해서는다양한프린팅기법과함께쉽게접목될수있는전극용잉크가개발되어야한다. 전극용재료필요한가장중요한물성은바로높은전도도이다. 높은전도도를지닌재료들을사용하게되면비교적적은양의재료를이용하여단가를낮출수있으며, 재료의농도는투명전극의투과도와도직결된다. 다음으로중요한요구사항은낮은공정온도, 낮은제조단가및균일한인쇄특성, 기판과의접착성, 외부마찰등에의한내마모성, 내후성및각종유기용매등에대한내화학성등을필요로한다. 현재주로사용되고있거나활발히연구되고있는전도성잉크재료는전도성고분자용액, 금속나노입자가분산된용액, 탄소나노튜브 (CNT, carbon nanotube) 분산용액및이에대한복합체재료를들수있다 [ 그림 9]. 이들재료는각각단점과장점을동시에보유하고있어서현재모든요구사항을완벽히만족시키는전도성잉크는없는실정이다. 현재가장활발히연구되고있는금속나노입자의경우충분할만큼높은전도도를보유하고있으나, 이들을분산시키기위해사용되는분산재를제거하기위해서비교적높은소성온도 (>150 o C) 를요구하며제조단가도비싼편이다. 따라서좀더낮은단가에제조가가능한공정의개발과소성온도를낮출수있는분산재를개발하는것이필요하 [ 그림 9] 현재대표적으로사용되는전도성잉크재료들 (a) PEDOT:PSS 전도성고분자, (b) 금속나노입자, (c) 표면이개질된 Carbon nanotube 다. 전도성고분자의경우높은분산특성과낮은공정온도때문에공정성이가장용이하나, 전도도가금속나노입자에비해턱없이낮다 (1 ~ 10 S/cm). 따라서전도성이높은전도성고분자재료에대한연구가필요하다. CNT분산용액은 CNT 자체로는일반적인용매에분산이어려워표면이개질된 CNT를물등의용매에분산해서잉크로사용하고있다. 금속나노입자보다는낮으나비교적높은전도도 (100 ~ 1000 S/cm) 와낮은공정온도 (100 o C) 때문에최근에활발히연구되고있으나 CNT의장기간안정적인분산을얻기어려워서이에대한연구가더욱필요하다. Ⅳ. 나노 Mesh 형투명전극의기술동향 1. 회사일본의 DNP사와후지필름은 Ag 나노잉크를이용한미세패턴인쇄방법을통해직접금속 grid를인쇄하는방식을개발하였다 [5]. [ 그림 10]-(a) 는 DNP사와후지필름에서개발한나노메쉬형태의투명전극을보여준다. DNP사의발표에의하면개발된직접인쇄법을통해필름기판위에필요한부분에만균일한패턴형성이가능하여기존의 ITO 전극제작시사용되는증착및에칭등의많은공정부분이생략할수있다. 이를바탕으로양산성과가격경쟁력측면에서매우우수한투명전도성필름을생산할수있다고한다. 약 1000 mm 정도의광폭필름롤투롤의연속생간이가능하며저항값은 0.1 Ω/cm 2 정도로매우낮은값을가지고구부림에대한내구성이매우우수하다고보고하고있다. 후지필름에서는 PET 기판위에 mesh형태의 Ag 패턴과유무기전도성물질을이용하여 0.2 Ω/cm 2 부터수천 Ω/cm 2 에이르는저항을조절할수있는새로운형태의전극을개발하였다. 개발된투명전극은 80% 이상의높은투과율을보이며이는 ITO기반의투명전극과비교했을때경쟁력이있는수치이다. 두루마리형태로공급이가능할정도로높은유연성을가지고있다고한다. 미국벤처기업인 cambrios는습식코팅이가능한투명전도잉크를공개했다 [6]. 이물질은솔루션단계의물질 2010 년제 11 권제 5 호 53

기술특집 [ 그림 10] 나노메쉬형투명전극 로균등하게분산된금속나노와이어를함유하고있는물질이다. [ 그림 10]-(b) 는 cambrios사에서제작된 Ag나노와이어가기판위에분산되어있는이미지이다. 균등하게분산되어있는와이어들은나노스케일의 mesh형태로필름을형성할수있으며, 뛰어난투과성과높은비저항을갖는다. 또한상온에서직접적으로코팅될수있다는장점을가지고있다.

8 기술특집 [ 그림 10] 나노메쉬형투명전극 로균등하게분산된금속나노와이어를함유하고있는물질이다. [ 그림 10]-(b) 는 cambrios사에서제작된 Ag나노와이어가기판위에분산되어있는이미지이다. 균등하게분산되어있는와이어들은나노스케일의 mesh형태로필름을형성할수있으며, 뛰어난투과성과높은비저항을갖는다. 또한상온에서직접적으로코팅될수있다는장점을가지고있다. TORAY사는 CIMA Nano tech사로부터개발된은나노입자의 Self-alighning 매커니즘을이용하여 80% 이상의투과성을가지는투명전극을개발했다 [7]. 이렇게형성된투명전극필름은통제가능한낮은저항률을가지며빠른속도로생산이가능하기때문에전자산업분야에다양한어플리케이션이가능할것이라고보고했다. 미국 Eikos사는단일벽탄소나노튜브가분사되어있는용액을이용하여투과도가 90%, 표면저항이 100~1000 Ω/cm 2 인투명전극필름을개발하였다 [8]. 일반적으로 Sputter 방식으로제작된 ITO의경우가시광선영역중 500 ~ 550 nm 범위에서최대투과도를보이고다른영역대에서는낮아지는경향이있다. 그러나탄소나노튜브로제작된투명전극에서는가시광선전영역대에서 90% 이상의높은투과도를보였다. 또한그라비아코팅법을이용했을시 95% 의투과도와 500 Ω/cm 2 의면저항을보였다. 탄소나노튜브고유의유연성과기계적으로강한특 성들은유연전자소자에매우적합한조건을갖추었다. 2. 연구소미국스탠포드대학의 Peter Peumans 교수연구팀은 Ag grid와나노와이어를이용한투명전극을개발하였다. 40 nm 두께를가지는 Ag 라인을 400 nm 의간격을두고패턴을가했을시개구율이 90% 이상되며, 면저항이 1.6 Ω/cm 2 으로매우낮게나타났다. 시뮬레이션결과같은면저항을가지는범위내에서 ITO의보다더높은투과도를보인다는결과를얻어냈다. 이와같은연구결과를바탕으로 Ag 나노와이어를이용하여나노메쉬형태로확장시켜우수한성능의투명전극을개발하였다. 이렇게제작된나노메쉬를태양전지의투명전극으로적용하여 10 Ω/cm 2 의낮은저항을가지며 85% 이상의높은투과도를얻을수있었다. 또한다양한 bending 실험에서도저항이변하지않는우수한유연소자특성을나타냈다 [9]. 또한같은그룹에서스핀코팅을이용한그라핀메쉬전극을발표하였다. 높은 20 nm의두께를가지는그라핀전극에서 5k~1M Ω/cm 2 의다소높은저항을나타내었지만 80% 이상의높은투과도를나타내는투명전극을보고하였다. 유기태양전지에적용되어 Jsc 와 FF 면에서 ITO 보다는다소낮은성능을보였고, 이는같은투과도범위내에서그라핀의높은면저항으로인한원인임을알수 54 인포메이션디스플레이

나노메쉬형투명전극기술동향 세패턴을형성하고이를투명전극용메쉬나터치패널의전극소자로응용하고자하는연구를대덕특구의지원을받아서수행하고있다. Ⅳ. 결론 [ 그림 11] PDMS 스탬프를이용하여제작된 Cu 투명메쉬전극있었다. 그러나그라핀전극이투명전극으로사용할수있다는가능성을제시하였다 [10].

9 나노메쉬형투명전극기술동향 세패턴을형성하고이를투명전극용메쉬나터치패널의전극소자로응용하고자하는연구를대덕특구의지원을받아서수행하고있다. Ⅳ. 결론 [ 그림 11] PDMS 스탬프를이용하여제작된 Cu 투명메쉬전극있었다. 그러나그라핀전극이투명전극으로사용할수있다는가능성을제시하였다 [10]. 중국 Fujian Institute에서는투명한고분자박막인 PVA 위에금속나노와이어메쉬를올려서금속나노와이만의투명전극일때발생할수있는문제점들을해결하는연구를진행하였다. 고분자박막이금속나노와이어들이균일하게분포할수있도록도와주며, 기판과전극간의접착력을향상시켜주기때문에기존의금속나노와이어 mesh 만을사용한전극에비해화학적, 열적으로안정성을가지며구부림에의해발생할수있는저항을낮출수있었다 [11]. 미국미시간대학의 L. Jay Guo 연구팀은나노사이즈의패턴이들어간 PDMS 스탬프를이용하여간단한프린팅방법으로저가의금속인 Cu 나노와이어메쉬전극을제작하였다. Cu 나노와이어메쉬를 PEDOT 이코팅되어진 PET 기판위에스탬프방법프린팅하여전도도를향상시켰고. 제작된 Cu 메쉬는가시광선전영역에서 78% 정도의일정한투과도를보였고면저항은 ITO에비해약 3 배정도낮은 22 Ω/cm 2 보였다. 그러나구부림에대해더강한기계적인특성을보였고, 이를유기태양전지의투명전극에적용하여 ITO로제작된소자와유사한효율을얻을수있었다 [12]. 국내에서는관련분야에대한연구가여러그룹에서이제막시작단계에있다고할수있다. 그중나노신소재와한밭대학교, ETRI, 위델소재, 디지텍시스템즈, 조선대학교의연구그룹이나노신소재에서개발된 Ag 나노잉크를리버스그라비아혹은그라비아옵셋인쇄법을통해서미 투명메쉬형전극은높은전도성과투명도를동시에얻을수있기때문에평판디스플레이나태양전지등의투명전극으로응용하기위한연구가최근진행되고있다. 다만현재인쇄기술을사용했을시에는대면적, 고해상도의투명전극을값싼공정으로얻기에는다소무리가있다. 따라서메쉬형전극이투명전극으로상업적으로응용되기위해서는롤투롤프로세스가가능한고해상도의인쇄장비에관한연구가절실하다. 또한투명도가높으면서동시에전도도가훌륭한소재의개발도필수적이다. 최근들어이에관한연구가학교, 연구소, 기업등에서활발히진행되고있으며우수한연구결과들이속속보고되고있으므로그리멀지않은미래에메쉬형전극은 ITO를대체할수있을것으로예상된다. 참고문헌 [ 1 ] 이종우, 이원남, 윤현남, 고분자과학과기술, 18권, p233, (2007) [ 2 ] 김태원, 허기석, 박종훈, 이종호, 유연 OLED 조명응용을위한플렉시블 TCO 개발현황, 전기전자재료 23권 4호 (2010) [ 3 ] 노용영외 3명, NICE, 26권 4호 439 (2008) [ 4 ] Y.-Y. Noh et al., Nat. Nanotechno,, 2, 784 (2007) [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] J.-Y. Lee and Peter Peumans et al., Nano Lett, 8, 689 (2008) [10] J. Wu and Peter Peumans et al., Appl. Phys. Lett, 92, [11] X.-Y. Zeng et al., Adv. Mater, inpress (2010) [12] M.-G. Kang and L. Jay Guo et al., Sol energy Mater. Sol cells, 92, 1179 (2010) 2010 년제 11 권제 5 호 55

기술특집 저자약력 김동윤 2008 년 : 성균관대학교전자전기공학과학사 2009 년 : 광주과학기술원신소재공학과석사 2009 년 ~ 현재 : 광주과학기술원신소재공학과박사과정 관심분야 :

electronics, OTFT 한 2010 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics,

of Massachusetts at Lowell, Polymer Science 박사 1999년 : Univ. of Massachusetts at Lowell (Post Doc.

Solar Cells, Organic Field-effect Transistors, Organic Memory 노용영 2000 년 : 동국대학교화학공학과학사 2002 년 :

2009 년 : ETRI, 융합부품 소재연구부문, 플렉시블소자팀선임연구원 2009 년 ~ 현재 : 국립한밭대학교화학공학과교수 관심분야 : Flexible & Printed

10 기술특집 저자약력 김동윤 2008 년 : 성균관대학교전자전기공학과학사 2009 년 : 광주과학기술원신소재공학과석사 2009 년 ~ 현재 : 광주과학기술원신소재공학과박사과정 관심분야 : Printed electronics, OTFT 배광태 2010 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics, OTFT 한 2010 년 : 한밭대학교화학공학과학사 2010 년 ~ 현재 : 한밭대학교화학공학과석사과정 관심분야 : Printed electronics, OTFT 현 김동유 1986 년 : 서울대학교공업화학과학사 1988년 : 서울대학교공업화학과석사 1991 년 : KIST 고분자화학연구실연구원 1997 년 : Univ. of Massachusetts at Lowell, Polymer Science 박사 1999년 : Univ. of Massachusetts at Lowell (Post Doc.) 1999 년 ~ 현재 : 광주과학기술원신소재공학과교수 관심분야 : Conjugated polymer synthesis for organic electronics, Organic Solar Cells, Organic Field-effect Transistors, Organic Memory 노용영 2000 년 : 동국대학교화학공학과학사 2002 년 : 광주과학기술원신소재공학과석사 2005 년 : 광주과학기술원신소재공학과박사 2007 년 : University of Cambridge, Cavendish 연구소 Post doc 년 : ETRI, 융합부품 소재연구부문, 플렉시블소자팀선임연구원 2009 년 ~ 현재 : 국립한밭대학교화학공학과교수 관심분야 : Flexible & Printed electronics, Materials, device, and printing process for organic electronics, OTFT, OLEDs, Transparent electrode, organic memory 56 인포메이션디스플레이

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<30312D B1E2BCFAC6AFC1FD5FB3EBBFEBBFB528C3D6C1BE292E687770> 기술특집 Flexible display 용인쇄 backplane TFT 개발동향및전망 노용영, 한현, 배광태, 조아라, 이혜미 ( 한밭대학교화학공학과 ) Ⅰ. 서론 최근다양한모바일기기의폭발적인인기로인해서가볍고, 떨어뜨려도쉽게부서지지않으며, 구부리거나말아서휴대가가능한 Flexible display에대한연구개발이활발히진행되고있다. 실제로관련기업에서는향후 5년 ~