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1 기존디스플레이에표준물질로사용되고있는 ITO(Indium Tin Oxide) 는외부스트레스에의해쉽게파괴되며, 증착방식에따른고비용, 인듐의매장량제한등의단점이있어향후대체소재의출현이요구되고있다. CNT 의분산기술과일액형코팅액제조기술그리고나노코팅및패터닝기술이개발된다면 ITO 를능가하는투명전극소재가될것으로예측하고있다. 이글에서는이상과같이최근투명전도성필름또는투명전극소재로서각광받고있는탄소나노튜브를이용한투명전도성필름제조기술의동향을살펴보고자한다. 글 : 이건웅박사 / CNT 투명전극개발팀한국전기연구원 / 탄소나노튜브 (Carbon Nanotubes, CNTs) 는 1991년일본이지마박사에의해발견된이후나노기술의빌딩블록으로주목받으며물리적, 화학적특성규명및다양한응용분야에관한연구가수행되고있다. CNT는완벽한구조와기계적, 물리적, 전기적및열적특성을갖고있으며, 이러한우수한특성을지니는탄소나노튜브는나노복합재료분야에서의충전재료뿐만아니라고전도성을요하는투명전도성필름이나고강도의경량특성을이용한구조재료등으로활용될수있어활발한연구가진행되고있다. 전도성복합재료의응용분야는전자제품포장및운반용구, 디스크드라이브, 자동차연료시스템등에이용될수있는정전기방전재료및전자파차폐재료, 자동차외장용 e-painting 분야등을들수있다. 이외에탄소나노튜브기반투명전도성필름의평판및플렉서블디스플레이, 태양전지등의전극재료로응용이가능하며각각의응용분야마다요구되는엄격한수준의투과도와전기전도도를구현해야한다. 특히터치패널, OLED, OTFT 등의디스플레이에서는투과도와전도도를동시에구현해야하므로 CNT 분산기술이필수항목이라할수있다. 아울러, 기질과의접착력과전도성코팅막의물리화학적특성을향상하기위해서는 CNT의분산성을저해하지않으면서바인더물질이포함된일액형코팅액을제조하는기술과적절한바인더의선정이매우중요하다. 기존디스플레이에표준물질로사용되고있는 ITO(Indium Tin Oxide) 는외부스트레스에의해쉽게파괴되며, 증착방식에따른고비용, 인듐의매장량제한등의단점이있어향후대체소재의출현이요구되고있다. CNT의분산기술과일액형코팅액제조기술그리고나노코팅및패터닝기술이개발된다면 ITO를능가하는투명전극소재가될것으로예측하고있다. 이글에서는이상과같이최근투명전도성필름또는투명전극소재로서각광받고있는탄소나노튜브를이용한투명전도성필름제조기술의동향을살펴보고자한다. 일반적으로투명전도성필름은플라스마디스플레이패널 (PDP), 액정디스플레이 (LCD) 소자, 발광다이오드소자 (LED), 유기전자발광소자 (OLED), 터치패널또는태양전지등에사용된다. 이러한투명전도성필름은높은전도성 ( 예를들면, Ϊ/sq 이하의면저항 ) 과가시광선영역에서높은투과율 (80% 이상 ) 을가지기때문에태양전지, LCD, PDP, 그이외의각종수광소자와발광소자의전극으 042

그림 1. 탄소나노튜브의형태 CNTs Diameter (nm) Cost ($/gram)a SWNTs < 2 100 1000 MWNTs 5 100 1 20 DWNTs 2 5 200 500 VGCNFs 50 200 0.2 a price depends on purity of CNTs 표 1.

2 그림 1. 탄소나노튜브의형태 CNTs Diameter (nm) Cost ($/gram)a SWNTs < MWNTs DWNTs VGCNFs a price depends on purity of CNTs 표 1. 탄소나노튜브의전형적인직경및 2006년기준판매가격로이용되는것이외에자동차창유리나건축물의창유리등에쓰이는대전방지막, 전자파차폐막등의투명전자파차폐체및열선반사막, 냉동쇼케이스등의투명발열체로사용되고있다. 투명전도성필름으로는주석이도핑된산화인듐막 (Indium tin oxide, ITO) 이낮은저항의막을쉽게얻을수있기때문에많이이용되고있다. ITO의경우제반물성이우수하고현재까지공정투입의경험이많은장점을가지고있지만, 산화인듐 (In 2 O 3 ) 은아연 (Zn) 광산등에서부산물로생산되기때문에수급이불안정한문제점이있다. 또한, ITO막은유연성이없기때문에폴리머기질등의플렉서블한재질에는사용하지못하는단점이있으며, 고온, 고압환경하에서제조가가능하므로생산단가가높아지는문제점이있다. 향후디스플레이의발전방향에따라대면적코팅, 유연기판도입, 낮은공정단가, 단순한프린팅공정등이요구되고있어기존 ITO 소재를부분적또는전체적으로대체하기위한다양한시도가이루어지고있다. 이를위해기존 TCO(transparent conductive oxide) 재료의용액공정방식, 나노메탈분산방식, 전도성고분자, 그리고 CNT 분산등의기술이경쟁하고있다. 이들중 CNT는전기저항이 10-4 Ωcm로금속에버금가는전기 전도도를가지고있으며, 표면적이벌크재료에비해 1000배이상높고, 외경에비해길이가수천배정도로길기때문에전도성구현에있어이상적인재료이며, 표면기능화를통해기질에의결합력을향상시킬수있는장점이있다. 또한이론적퍼콜레이션농도가 0.04% 에불과하여광학적성질을유지시키면서전도도를구현할수있는이상적인재료로평가되고있으며, 플렉서블한기질에사용이가능해그용도가무한할것으로기대되고있다. 다만, CNT 소재를이용하여투명전도성필름을구현하기위해서는 SWNT, DWNT 그리고직경이작은 MWNT로사용이제한되며이때수반되는분산의어려움을극복해야한다. 종래의탄소나노튜브투명전극제조기술은여러공정즉, CNT의분산액을필터링하여기질에전이하거나스프레이코팅후계면활성제를제거하고후처리를하는등의다양한공정을거치게된다. 상업적인활용도를높이기위해서는필터링방식보다는대형면적에코팅이가능한스프레이또는롤투롤코팅방식이바람직하며여러단계의코팅공정을거치는방식을지양해야할것이다. 스프레이코팅을이용하는방식에있어서도코팅막의내구성을위해서는바인더개념이도입되어야하는데기존에는바인더를함유하지않거나, 접착층을미리기질위에코팅하고그위에 CNT용액을코팅하는방식을사용하고있다. 이에대한대안으로서한국전기연구원의나노카본소재연구그룹에서는 CNT 투명전극의물리화학적안정성과계면접착력확보를위해바인더물질을 CNT 분산액과혼합한일액형 CNT/ 바인더혼합코팅액을제조하여유리나고분자필름등에코팅하는기술을개발했다. 그림 2에서보는바와같이바인더가혼합될경우임계바인더함량 (Xc) 이존재하게되며 Xc 이상의바인더를첨가할경우 CNT가바인더내부에묻혀면저항이급격히증가하게된다. 따라서적정량의바인더를함유할수있도록바인더의함량을조절하여혼합코팅액을제조하고기질에코팅하여우수한광-전기적특성과내구성을지니는투명전극필름을제조할수 043

기존방식 : 다층구조 Critical binder content 개념도입 CNTs X=0 0<X<Xc CNTs 바인더기판 binder X>Xc Sheetresistance (Ϊ /sq) adhesion critical binder content, Xc Binder content (%) available region of binder content 그림 2.

또한탄소나노튜브를이용한터치패널용 ITO 대체투명전극개발에있어서, 최근의 CNT/binder 투명전도성패턴필름 빠른기술진보와정보의홍수시대에서, 정보의생성보다는정보의효율적인전달이 중요한문제로부상되고있으며, 이에대한 그림 3. CNT/ 바인더투명전도성패턴필름을이용하여멀티터치기능이가능한터치패널개발예시 솔루션으로멀티터치기능의중요성이더욱 증대될전망이다.

3 기존방식 : 다층구조 Critical binder content 개념도입 CNTs X=0 0<X<Xc CNTs 바인더기판 binder X>Xc Sheetresistance (Ϊ /sq) adhesion critical binder content, Xc Binder content (%) available region of binder content 그림 2. 임계바인더함량개념도 도로활용할수있는것도큰장점으로꼽힌 다. 연구진은향후반도체라인등생산공정 에서먼지가달라붙지않게하기위해사용 되는정전기방지용정전분산필름및트레 Multi-touch 이, 전자파차폐필름등외에디스플레이용 haptic iphone 투명전극, 간편한휴대가가능한플렉시블디스플레이, 태양전지등의각종유연 (flexible) 전극으로활용한다는계획이다. 또한탄소나노튜브를이용한터치패널용 ITO 대체투명전극개발에있어서, 최근의 CNT/binder 투명전도성패턴필름 빠른기술진보와정보의홍수시대에서, 정보의생성보다는정보의효율적인전달이 중요한문제로부상되고있으며, 이에대한 그림 3. CNT/ 바인더투명전도성패턴필름을이용하여멀티터치기능이가능한터치패널개발예시 솔루션으로멀티터치기능의중요성이더욱 증대될전망이다. 현재터치스크린 LCD에 있게된다. 이러한코팅기술은기업에이전하여터치패널에사용되는 ITO전극을대체하기위한상용화를준비중에있다. 또한이기술은습식코팅공정을기반으로하여공정단가 50% 이상절감이가능하고 ITO 대신에 꿈의소재 로불리는탄소나노튜브를이용하기때문에재료의국산화와더불어원가도대폭절감할수있다. 또한상업화완료시전도성고분자, ITO 등관련소재의대일수입대체효과뿐만아니라 ITO 대체소재의출현으로인해산업전반에미치는영향이매우클것으로기대된다. 이기술을응용하면각성분의농도조절에따라터치스크린은물론휘어지는디스플레이 (Flexible Display) 등디스플레이산업전반에다각 적용되는터치패널기술은저항막, 정전용량, 초음파및적외선방식등다양한기술이있으며, 이중정밀도가높고멀티터치의기능을수행할수있는정전용량방식이이러한이유에서차세대터치패널기술의핵심으로부상할예정이다. 특히정전용량방식의터치구동을위해서는 ITO 필름을강산이나레이저로에칭하는공정을필수적으로수반하게되며, 공정단가의상승뿐만아니라공정효율의저하로인해궁극적으로터치적용단가상승의원인이되고있다. 현재국내에서멀티터치기능의요구가높음에도불구하고적용율이떨어지는이유가여기에있다. 반면 CNT/ 바인더혼합액을이용한기술은면코팅필름뿐만 044

그림 4. 투명전도성초발수코팅기술 1 st Gen H-bonding Silane sol t-mwnt "Durable Display" CNT/silane sol solution superhydrophobic spraying superhydrophilic 2 nd Gen 3 nd Gen 4 th Gen "Bendable Display" "Flexible

이러한투명초발수전도성코팅기술은기존의대전방지, 전자파차폐등의기능성에고투과도와자가세정능력을부여한것으로각종광소자및기능성유리등의코팅소재로활용할수있으며, 고투과도와자가세정능력, 그리고발열히터특성이동시에요구되는자동차의열선 ( 熱線 ) 유리, 스마트윈도우, 대전방지코팅, 전자파차폐코팅등에도다각적으로활용이가능하다.

4 그림 4. 투명전도성초발수코팅기술 1 st Gen H-bonding Silane sol t-mwnt "Durable Display" CNT/silane sol solution superhydrophobic spraying superhydrophilic 2 nd Gen 3 nd Gen 4 th Gen "Bendable Display" "Flexible Display" "Disposable Display" 200nm 세정능력을모방하기위해물을싫어하는플루오로기를지닌실란물질을바인더소재로사용하여탄소나노튜브 / 바인더혼합액을제조했다. 이용액을표면에코팅할경우탄소나노튜브는초발수의조건인나노에서마이크로수준의돌기또는기공을형성시키고, 표면에너지가작은플루오로실란은물을싫어하므로연잎의초발수표면을구현할수있다 ( 그림 4). 이러한투명초발수전도성코팅기술은기존의대전방지, 전자파차폐등의기능성에고투과도와자가세정능력을부여한것으로각종광소자및기능성유리등의코팅소재로활용할수있으며, 고투과도와자가세정능력, 그리고발열히터특성이동시에요구되는자동차의열선 ( 熱線 ) 유리, 스마트윈도우, 대전방지코팅, 전자파차폐코팅등에도다각적으로활용이가능하다. - Thin & Light -Rugged Mobile Display - Bendable - Conformable Wearable Display - Rollable - Folderble Flexible Display - Roll-to-Roll Process - Easy Printing Paper-like Display CNT 기반투명전도성필름의향후전망 그림 5. 플렉서블디스플레이의로드맵아니라인쇄방식의직접패턴이가능하여공정단가와효율을동시에개선하는효과가있어정전용량방식에가장적합한기술이라할수있다 ( 그림 3). 그리고최근에한국전기연구원에서는탄소나노튜브 / 바인더일액형코팅액을이용해투명하면서전도도를지니고초발수특성을지니는코팅기술을개발하였다. 연구팀은연잎의자가 CNT 기반투명전극기술은장기적으로플렉서블디스플레이기술동향과밀접한관련이있다. E- paper 기술을시작으로 2010년경부터본격적으로시장을주도하게될플렉서블디스플레이기술의요소기술로서 CNT 투명전극이사용될것으로판단된다. 최근발표된플렉서블디스플레이기술및시장전망자료에따르면유럽의폴리모비전이나플라스틱로직과같은파이오니어의성격을가진회사들이 e-book의상용화단계를추진중 045

Target Applications EMI/LO FPD TS Ohms/sq 1.00E+06 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 1.00E+01 1.00E+00 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% Transmittance at 550 nm 그림 6.

5 Target Applications EMI/LO FPD TS Ohms/sq 1.00E E E E E E E % 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% Transmittance at 550 nm 그림 6. 응용분야별투과도 - 면저항요구치및기술개발동향 ( 상단마름모및별 : Eikos 사, 하단마름모 : ITO) 에있고, 대규모양산과시장창출능력이있는한국의삼성전자와엘지필립스 LCD를비롯해일본의많은디스플레이회사들이다양한기술기반의방식을가지고이시장영역에뛰어들준비를하고있다. 또한, 2011년부터는 3인치급이하의 LCD와 OLED 기반의플렉서블디스플레이를채용한하이엔드의모바일폰이등장하고, 2013년에는 4인치에서 9인치급의 OLED기반의모바일폰이외의다양한애플리케이션에도플렉서블디스플레이가채용될것으로전망한다. 기본적으로기존의 TFT-LCD와동등한수준의품질을구현한플렉서블디스플레이가출현한다면, 전체애플리케이션을대체하는속도는매우빠르게진전될것으로확신한다. 2016년부터는 LCD, OLED 기반의 10인치이상급의대형디스플레이시장, 즉기존의노트북, TV, 모니터등도기존과는전혀다른디자인과콘셉트를담은신제품들이개발되고상품화될것으로전망된다. 기존애플리케이션의대체시장분야에서는단기시장 (5년이내 ) 에서는모바일폰이그대세이고, 장기시장 (9년이후 ) 에서는 10인치이상의대형디스플레이시장에서 TV, 노트북, 모니터등이대체되는플렉서블디스플레이가적용될것으로본다 ( 그림 5). 플렉서블디스플레이시장은 2010년약 2.8억달러에서, 2015년약 59 억달러, 2017년약 122억달러의시장을형성할것으로전망된다. 플렉서블시장은장기적인관점에서는기존 의다양한디스플레이가궁극적으로가장효율적인 1, 2개의디스플레이기반기술로단순화되고통합되는과정을거칠것으로예상된다. 또한지금까지의개념과는완전히차별화되고다른개념의노트북, 모니터, TV 혹은이러한기능들을통합한새로운개념의디자인과기능을가진디스플레이애플리케이션이등장할것으로보인다. 상기와같은차세대디스플레이외에단기적으로 CNT 투명전극의유망한응용분야로저항막식터치패널을들수있다. 터치패널에는저항막식, 정전용량식, 광학식, 초음파식등의종류가있으며, 각각장단점을가지고있다. 저항막식은 PDA, OA, FA 기기분야에서가장일반적인방식이며, 구조는 ITO막을부여한플라스틱필름의상부전극과하부전극사이에스페이서를개입시켜샌드위치장이되어있다. 현재베이스필름은 PET 수지가중심이며그외에 PES, PC, PAR 등이사용되고있다. 그림 6은 EMI, FPD, 터치패널의투과도-면저항요구치와 Eikos사의수준을보여주고있다. 현재국내에서는한국전기연구원의나노카본소재연구그룹에서개발한 CNT투명전도성코팅기술이기업에이전되어터치패널용 ITO필름을대체하는상용화를눈앞에두고있다. 향후다양한분산기법의활용을통해 CNT 투명전극의투과도-면저항특성이보다획기적으로개선할경우디스플레이전극소재로의응용등그파급효과는매우크다할수있다. 046

Microsoft PowerPoint - Flexible Display 인쇄본

Microsoft PowerPoint - Flexible Display 인쇄본 PowerPoint 에서는개인정보보호를돕기위해이외부그림을자동으로다운로드하지않습니다. 이그림을다운로드하여표시하려면메시지표시줄에서 [ 옵션 ] 을클릭하고 [ 외부콘텐츠사용 ] 을클릭하십시오. IT 기기의소통창구 : 차세대디스플레이기술동향 차례 I. 디스플레이개요 II. 기술및제품, 시장동향 III. 요약 2 1 디스플레이개요 전자디스플레이 Human Interface