터치스크린용 투명전극 소재의 기술 동향 및 전망

투명전극

글 : 홍성제 수석연구원, 한정인 센터장 / 디스플레이연구센터전자부품연구원 / www.keti.re.kr최근 휴대폰, 게임기 등 정보통신 기기에 터치스크린의 적용이 증가하면서 터치스크린에 대한 관심이 증가하고 있다. 터치스크린이란 손이나 도구 등으로 접촉 시 그 위치를 인식하는 특수 입력 장치를 장착한 화면으로, 입력 방식은 화면상의 문자나 특정 위치에 직접 터치에 의해 그 위치를 파악하고 이를 소프트웨어를 통해 처리한다. 터치스크린은 안내용 및 판매용, 일반 업무용, 내비게이션, 휴대기기와 같은 정보통신기기 등 다양한 분야에 적용되고 있고, 특히 최근 휴대정보기기의 종류 및 기능이 다양화되면서 이에 대한 사용이 증가하고 있다. 터치스크린의 시장은 2006년 24억 달러에서 2012년 44억 달러로 성장할 전망이고, 특히 세계 휴대기기의 40% 가량이 터치스크린을 채택할 것으로 전망되고 있다[1].터치스크린의 종류는 크게 정전용량 방식과 저항막 방식으로 나눌 수 있다. 정전용량 방식은 기판 상의 투명 전극 상에 X,Y 검출용 신호가 인가되면 절연층에 일정한 정전용량 층이 형성되고 이 부분을 통해 신호가 전달되어 그 신호의 크기를 계산 및 위치 검출하는 방식이다. 저항막 방식의 경우 투명전극 층이 코팅되어 있는 2장의 기판을 투명전극 층이 내면에서 서로 마주보도록 합착시킨 구조로 되어 있다. 이 때 한쪽의 투명전극 상에 위치 검출을 위한 전기적 신호가 인가되는 상태에서 손가락 또는 펜에 의해 기판이 터치되면 상부 기판의 투명전극 층이 하부 기판의 투명전극 층과 접촉함으로써 반대쪽의 투명전극 상에서 그 전기적 신호가 검출되고, 검출된 전기적 신호의 크기를 이용하여 그 위치를 결정한다. 이와 같이 터치스크린의 동작을 위해선 핵심 소재인 투명전극 소재가 필수적이다.투명전극(Transparent Electrode)이란 그림 1과 같이 글래스 및 플라스틱 필름 등 투명한 재질의 절연체 표면에 투명성을 유지하면서 도전성을 부여하는 박막 전극으로 주로 터치스크린을 비롯한 정보 디스플레이, 태양전지, 조명 및 자동차 등 다양한 방면에 사용된다.이러한 투명전극 소재는 주로 산화인듐 주석(Indium Tin Oxide, ITO)이 사용되는데 최근 희유금속인 인듐의 고갈 및 이로 인한 가격 상승 등이 이슈로 떠오르면서 투명전극 소재의 확보에 관심이 중가하고 있다. 이 글에서는 터치스크린의 핵심 소재인 투명전극 소재의 기술 동향 및 고갈에 대처하는 저감 및 대체 기술 동향, 그리고 향후 전망에 대해 살펴본다.ITO 투명전극 소재의 기술 동향앞서 기술한 바와 같이 투명전극으로 가장 많이 사용되는 소재는 ITO이다. ITO는 산화 인듐(In2O3)의 격자 구조에 주석 이온(Sn4+)이 도핑되어 있는 상태로서 인듐과 주석의 중량비가 약 95:5 내지는 90:10 으로 구성되어 있다. ITO는 박막 상태에서는 전기적 전도 및 광학적 투과 특성을 나타낸다. ITO 박막의 두께가 증가할수록 전기 전도도는 증가하지만 광 투과율은 감소하고, 반대로 ITO 박막 두께가 감소할수록 전기 전도도는 감소하지만 광 투과율은 증가한다.　ITO 투명전극의 전도 메커니즘은 다음과 같다.σ = e μ N [Ω·cm]-1여기서 σ, e, μ, N은 각각 전기 전도도, 전하, 이동도, 전하농도 등을 의미한다. 이와 같이 ITO 투명전극의 전도 메커니즘은 전하의 재결합 및 이동에 이루어진다. 즉, 산화인듐의 격자 구조에 주석 이온이 도핑되어 인듐 이온(In3+)과의 원자가 차이로 인해 도전 운반자가 형성되고 이로 인해 전기 도전 특성이 부여된다. 따라서 금속 전극의 경우 온도가 증가하면 전기 전도도는 감소하지만, 투명전극의 전기 전도도는 적절한 운반자 농도 하에서는 온도 상승에 비례하여 증가한다. 이러한 ITO 투명전극의 전기 전도도의 균일성을 유지하기 위해선 박막 내 ITO의 구조를 조밀하게 제작하는 것이 중요하다.이러한 ITO 투명전극 제작 방법은 크게 건식 공정과 습식 공정으로 나눌 수 있다. 건식 공정은 진공 장비를 이용하여 진공 챔버 내에서 이루어지는 전형적인 투명전극 박막 제작 공정으로 크게 스퍼터링(Sputtering)과 증착(Evaporation)으로 나눌 수 있다. 이 중에서도 스퍼터링 법에 의한 제작이 주로 사용되는데 이 때 가장 중요한 변수 중의 하나가 스퍼터링 타깃의 밀도이다. 즉, 스퍼터링 타깃의 밀도가 높을수록 동일한 증착 조건에서 전기적 특성 및 광학적 특성이 향상된 박막을 제작할 수 있다[2]. 이는 타깃의 밀도가 높을수록 이로 인해 제작되는 박막의 밀도가 증가하는 것에 기인하는 것으로 보인다. 즉, 박막 내에서의 결함이 줄어들기 때문에 특성이 향상되는 것으로 보인다.이러한 건식 공정은 양질의 ITO 박막을 제작할 수 있는 장점이 있으나 반면에 고가의 진공 장비 및 재료를 사용하여 제작 단가가 높고, 특히 스퍼터링의 경우 챔버 벽 등 기판 외 다른 곳에도 증착이 일어나 효율이 낮고, 또한 타깃을 30~40% 사용하면 더 이상 사용이 불가능해져 리사이클링 등 추가 공정이 소요된다. 습식 공정의 경우 이러한 건식 공정의 비효율성을 어느 정도 개선할 수 있다. 습석 공정은 건식 공정 대신에 액상의 ITO 졸(Sol)을 이용한 코팅 방법으로, ITO 졸은 수용액 중에 ITO 미립자가 분산되어 있는 형태의 용액이다. 이를 이용하여 딥 코팅(Dip coating) 및 스핀 코팅(Spin coating) 등 다양한 방법으로 박막을 제작하는데, 습식 방법은 건식에 비해 제작 단가가 낮다는 장점이 있으나 막의 특성, 특히 전기적 특성 및 광학적 특성이 건식 방법에 비해 낮아 이러한 수준의 특성을 만족할 수 있는 용도에 사용된다.ITO 저감 및 대체 투명전극 소재의 기술 동향이와 같은 건식 및 습식 방법은 기판의 전면에 ITO 박막을 코팅하는 방식으로 이를 이용한 배선 구조를 제작하기 위해선 사진 식각 및 에칭 공정을 거쳐야 하므로 이 과정에서 많은 양의 ITO가 소모되고, 고가의 인듐이 낭비된다. 이와 같이 기존 공정에서는 인듐이 낭비되는 단점을 가지고 있어서 최근에는 인듐의 절감 및 대체를 위한 소재 및 공정이 연구되고 있고, 그 중의 하나로 다이렉트 프린팅(Direct Printing) 공정이 연구되고 있다. 다이렉트 프린팅 공정은 그림 2에서 보는 것과 같이 제작하고자 하는 구조의 배선을 기판 위에 직접적으로 그리는 공정으로서 이를 통해 배선 소재 및 제작 공정을 획기적으로 낮출 수 있다.즉, 기존 공정에서는 스퍼터링 등 건식 공정을 통한 박막 증착과 이를 이용한 사진 식각, 그리고 에칭 공정을 통해 배선을 제작하는 과정에서 고가의 재료와 많은 공정 단계, 그리고 인듐의 소모가 있지만 다이렉트 프린팅 공정을 적용함으로써 그러한 문제들을 개선할 수 있다. 대표적인 다이렉트 프린팅으로 잉크젯 프린팅을 들 수 있고, 이 밖에도 그라비어 프린팅, 롤투롤 프린팅, 정밀 스크린 프린팅 등을 들 수 있다. 이러한 방법들을 이용해 양질의 다이렉트 프린팅 배선을 제작하기 위해선 각각에 대응이 가능한 다이렉트 프린팅 소재가 필요하다. 다이렉트 프린팅 소재란 다이렉트 프린팅을 이용한 배선 등을 제조할 때 사용되는 소재로서 나노 입자 소재 및 잉크 페이스트 용매, 첨가제 등으로 구성되어 있다. 이러한 다이렉트 프린팅 소재의 핵심 기술로는 단분산 균일 나노 입자 합성 기술 및 잉크 페이스트 제조 기술 등을 들 수 있다.나노 입자란 수 nm~수십 nm 크기의 입자로서 일반 벌크 소재에서 나타나지 않은 특성을 나타낸다. 그 중 하나로 융점이 낮아지는 것을 들 수 있다. 금의 경우 벌크 소재는 융점이 1000℃ 이상인 것에 비해 나노 입자 크기가 2nm일 경우 융점은 27℃로 낮아진다[3]. 이는 입자의 크기가 감소하면서 융점이 높은 원자의 확산이 용이하게 되어 저온에서 금속의 결합이 용이하게 되는 것으로 추정된다. 이러한 낮은 융점의 특성으로 인해 다이렉트 프린팅을 보다 저온에서 할 수 있다. 나노 입자의 합성법으로는 크게 물리적 분쇄를 이용한 방법과 화학적 합성을 이용한 방법으로 나눌 수 있다. 특히 입자의 크기를 미세한 크기로 조절하기 위해선 물리적 방법보다는 화학적 방법이 많이 사용된다. 화학적 방법은 습식법과 건식법으로 나눌 수 있다. 습식법의 경우 용액 중에서 화학반응을 유도하여 입자를 응집 및 제어하는 방법으로 화학환원법 등을 들 수 있다. 화학 환원법은 화학 환원 반응에 의해 액상으로부터 고상 입자를 석출하는 것으로 환원제의 역할이 매우 중요하다. 환원제는 전구체 표면에 흡착, 표면 전위를 낮추고 금속 이온을 환원하는 역할을 한다. 화학환원법의 장점은 나노 입자를 다량 합성할 수 있는 것이나, 단점은 고농도 용액에서 분산제의 나노 입자 석출의 제어가 난이하고 입도의 제어가 쉽지 않다는 것이다. 이에 비해 건식법은 감압 대기 중에서 나노 입자를 응집 및 제어하여 제조하는 방식으로 가스 증발법 등을 들 수 있다. 가스 증발법은 저압 조건에서 소량의 가스를 흘리면서 금속 원자를 가열, 증발하고 증발하는 원자를 응집, 클러스터화 및 포집하는 방법으로 변수로는 캐리어 가스 종류, 플로우 속도 등을 들 수 있다. 가스 증발법의 장점은 고순도 및 균일한 크기의 초미세급 나노 입자(10nm 이하)를 획득할 수 있고, 특히 이러한 물성은 양질의 다이렉트 프린팅 배선을 얻기 위한 중요한 조건이다. 가스 증발법은 최근 일본의 Ulvac에서 Ag의 경우 월 500kg을 제조할 수 있는 방법을 개발하는 등 제조량의 한계도 극복되어 상용화로 접근이 되어가고 있다. ITO 나노 입자의 경우에도 가스 증발법을 이용하여 제조하고 이를 이용하여 다이렉트 프린팅용 잉크 페이스트 소재를 제조하는 것으로 알려져 있다. ITO 나노 입자는 그림 3에서 보는 것과 같이 입도가 10nm 이하로 매우 균일하게 제조되어 있는 것을 볼 수 있다. Ulvac에서는 이러한 소재를 이용하여 ITO 투명 전극을 제조하고 전기적 특성 및 광학적 특성이 터치스크린용 투명 전극에 요구되는 특성에 근접해 있는 것으로 알려져 있다[4].한편 국내에서도 전자부품연구원에서 저온 합성법이라는 새로운 습식 합성법을 이용하여 ITO 나노 입자를 제조한다. 저온 합성법은 기존의 화학 합성법과는 달리 환원제를 사용하지 않는 방법으로 300℃ 이하의 저온에서 합성함으로써 미세 입도의 제어가 가능하고 그림 4에서와 같이 10nm 이하의 균일한 나노 입자를 제조할 수 있다. 또한 그림 5에서와 같이 ITO 나노 입자를 이용하여 다이렉트 프린팅용 잉크 페이스트 소재를 제조하고, 이를 이용하여 ITO 배선 전극을 제작한다.이와 함께 투명전극용 인듐의 저감 및 대체를 위한 조성 연구도 진행되는 것으로 알려져 있다[5]. 인듐 저감의 경우 일본의 가나자와 대학에서 그림 6과 같이 ITO에 ZnO를 도핑한 복합체 산화물에 대한 연구를 진행하고 있다. 즉, ZnO-In2O3 및 In2O3-SnO2의 2원 화합물의 결합체로 구성된 ZnO-In2O3-SnO2(또는 SnO 내의 Zn)의 복합체로 인듐 저감 소재 연구를 진행하고 있다. 또한 Zn2In2O5, ZnO-In2O3 및 In2O3-SnO2 시스템에 각각 포함되어 있는 Zn3In2O6(Zn 내 In), In4Sn3O12(In·SnO2산염) 및 Zn2In2O5-In4Sn3O12와 같은 화합물의 결합체로 구성된 산화물이 인듐 저감 재료로서 각광받고 있다. 인듐 대체 소재의 경우에도 AZO, GZO, NTO, FSO, CNT, PEDOT 등 다양한 소재를 이용하여 연구하고 있는데 조성 최적화, 균일 분산 미립자, 안정성, 신뢰성 등이 주요 이슈인 것으로 알려져 있다.요약최근 터치스크린에 대한 수요가 증가하면서 핵심 소재인 투명전극 소재에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 투명전극 소재는 ITO의 주요 원소인 인듐의 고갈 및 가격상승으로 인해 이를 저감 및 대체하기 위한 다이렉트 프린팅 및 조성 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 분야는 선진국에서도 초기 단계에 있고, 국내에서도 기술 개발을 진행하고 있다. 이와 같이 터치스크린용 투명전극 소재의 개발에 있어서 선진 기술의 종속 체제를 방지하기 위해선 원천 소재부터 공정 및 제조 기술의 개발을 통한 기술 확보 및 시장의 경쟁을 통한 우위 점유가 필요하다.참고문헌>1. iSuppli Corp.2. R. Yoshimura et al, “Studies on Characteristics of ITO Target Materials (2)”3. K. Suganuma : Ink-jet Writing of Fine Pitch Circuits with Metallic Nano Particle Pastes, CMC publications (1985) (in Japanese)4. M. Oda et al, "Individually Dispersed Nanoparticles formed by Gas Evaporation Method and their Applications", Printed Electronics Asia 2007 (2007)5. T. Minami, "Substitution of Transparent Conducting Oxide Thin Films for Indium Tin Oxide Transparent Electrode Applications", Thin Solid Films Vol. 516 (2008) pp. 1314?1321

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