CNT 응용 기술 소재 현황
기존 디스플레이에 표준물질로 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)는 외부 스트레스에 의해 쉽게 파괴되며, 증착방식에 따른 고비용, 인듐의 매장량 제한 등의 단점이 있어 향후 대체소재의 출현이 요구되고 있다. CNT의 분산기술과 일액형 코팅액 제조기술 그리고 나노코팅 및 패터닝 기술이 개발된다면 ITO를 능가하는 투명전극소재가 될 것으로 예측하고 있다. 이 글에서는 이상과 같이 최근 투명전도성필름 또는 투명전극 소재로서 각광받고 있는 탄소나노튜브를 이용한 투명전도성 필름 제조기술의 동향을 살펴보고자 한다.
글 : 이건웅 박사 / CNT 투명전극개발팀
한국전기연구원 / www.keri.re.kr
탄소나노튜브(Carbon Nanotubes, CNTs)는 1991년 일본 이지마 박사에 의해 발견된 이후 나노기술의 빌딩 블록으로 주목받으며 물리적, 화학적 특성 규명 및 다양한 응용분야에 관한 연구가 수행되고 있다. CNT는 완벽한 구조와 기계적, 물리적, 전기적 및 열적 특성을 갖고 있으며, 이러한 우수한 특성을 지니는 탄소나노튜브는 나노복합재료 분야에서의 충전재료뿐만 아니라 고전도성을 요하는 투명전도성 필름이나 고강도의 경량 특성을 이용한 구조재료 등으로 활용될 수 있어 활발한 연구가 진행되고 있다.
전도성 복합재료의 응용분야는 전자제품 포장 및 운반용구, 디스크 드라이브, 자동차연료시스템 등에 이용될 수 있는 정전기 방전 재료 및 전자파 차폐 재료, 자동차 외장용 e-painting 분야 등을 들 수 있다. 이외에 탄소나노튜브 기반 투명 전도성 필름의 평판 및 플렉서블 디스플레이, 태양전지 등의 전극재료로 응용이 가능하며 각각의 응용분야마다 요구되는 엄격한 수준의 투과도와 전기전도도를 구현해야 한다. 특히 터치패널, OLED, OTFT 등의 디스플레이에서는 투과도와 전도도를 동시에 구현해야 하므로 CNT 분산기술이 필수항목이라 할 수 있다. 아울러, 기질과의 접착력과 전도성 코팅막의 물리화학적 특성을 향상하기 위해서는 CNT의 분산성을 저해하지 않으면서 바인더 물질이 포함된 일액형 코팅액을 제조하는 기술과 적절한 바인더의 선정이 매우 중요하다. 기존 디스플레이에 표준물질로 사용되고 있는 ITO(Indium Tin Oxide)는 외부 스트레스에 의해 쉽게 파괴되며, 증착방식에 따른 고비용, 인듐의 매장량 제한 등의 단점이 있어 향후 대체소재의 출현이 요구되고 있다. CNT의 분산기술과 일액형 코팅액 제조기술 그리고 나노코팅 및 패터닝 기술이 개발된다면 ITO를 능가하는 투명전극소재가 될 것으로 예측하고 있다. 이 글에서는 이상과 같이 최근 투명전도성필름 또는 투명전극 소재로서 각광받고 있는 탄소나노튜브를 이용한 투명전도성 필름 제조기술의 동향을 살펴보고자 한다.
일반적으로 투명전도성 필름은 플라스마 디스플레이 패널(PDP), 액정 디스플레이(LCD) 소자, 발광다이오드소자(LED), 유기전자발광소자(OLED), 터치패널 또는 태양전지 등에 사용된다. 이러한 투명전도성 필름은 높은 전도성(예를 들면, 1×103Ω/sq 이하의 면저항)과 가시광선 영역에서 높은 투과율(80% 이상)을 가지기 때문에 태양전지, LCD, PDP, 그 이외의 각종 수광소자와 발광소자의 전극으로 이용되는 것 이외에 자동차 창유리나 건축물의 창유리 등에 쓰이는 대전 방지막, 전자파 차폐막 등의 투명전자파 차폐체 및 열선 반사막, 냉동 쇼케이스 등의 투명 발열체로 사용되고 있다.
투명전도성 필름으로는 주석이 도핑된 산화 인듐막(Indium tin oxide, ITO)이 낮은 저항의 막을 쉽게 얻을 수 있기 때문에 많이 이용되고 있다. ITO의 경우 제반 물성이 우수하고 현재까지 공정 투입의 경험이 많은 장점을 가지고 있지만, 산화인듐(In2O3)은 아연(Zn) 광산 등에서 부산물로 생산되기 때문에 수급이 불안정한 문제점이 있다.
또한, ITO막은 유연성이 없기 때문에 폴리머 기질 등의 플렉서블한 재질에는 사용하지 못하는 단점이 있으며, 고온, 고압 환경 하에서 제조가 가능하므로 생산단가가 높아지는 문제점이 있다.
향후 디스플레이의 발전방향에 따라 대면적 코팅, 유연기판 도입, 낮은 공정단가, 단순한 프린팅 공정 등이 요구되고 있어 기존 ITO 소재를 부분적 또는 전체적으로 대체하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 이를 위해 기존 TCO(transparent conductive oxide) 재료의 용액공정 방식, 나노메탈 분산 방식, 전도성 고분자, 그리고 CNT 분산 등의 기술이 경쟁하고 있다. 이들 중 CNT는 전기저항이 10-4Ωcm로 금속에 버금가는 전기전도도를 가지고 있으며, 표면적이 벌크 재료에 비해 1000배 이상 높고, 외경에 비해 길이가 수천 배 정도로 길기 때문에 전도성 구현에 있어 이상적인 재료이며, 표면기능화를 통해 기질에의 결합력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 이론적 퍼콜레이션 농도가 0.04%에 불과하여 광학적 성질을 유지시키면서 전도도를 구현할 수 있는 이상적인 재료로 평가되고 있으며, 플렉서블한 기질에 사용이 가능해 그 용도가 무한할 것으로 기대되고 있다. 다만, CNT 소재를 이용하여 투명 전도성 필름을 구현하기 위해서는 SWNT, DWNT 그리고 직경이 작은 MWNT로 사용이 제한되며 이때 수반되는 분산의 어려움을 극복해야 한다.
종래의 탄소나노튜브 투명전극 제조기술은 여러 공정 즉, CNT의 분산액을 필터링하여 기질에 전이하거나 스프레이 코팅 후 계면활성제를 제거하고 후처리를 하는 등의 다양한 공정을 거치게 된다. 상업적인 활용도를 높이기 위해서는 필터링 방식보다는 대형면적에 코팅이 가능한 스프레이 또는 롤 투 롤 코팅 방식이 바람직하며 여러 단계의 코팅공정을 거치는 방식을 지양해야 할 것이다. 스프레이 코팅을 이용하는 방식에 있어서도 코팅막의 내구성을 위해서는 바인더 개념이 도입되어야 하는데 기존에는 바인더를 함유하지 않거나, 접착층을 미리 기질 위에 코팅하고 그 위에 CNT용액을 코팅하는 방식을 사용하고 있다.
이에 대한 대안으로서 한국전기연구원의 나노카본소재 연구그룹에서는 CNT 투명전극의 물리화학적 안정성과 계면접착력 확보를 위해 바인더 물질을 CNT 분산액과 혼합한 일액형 CNT/바인더 혼합 코팅액을 제조하여 유리나 고분자 필름 등에 코팅하는 기술을 개발했다. 그림 2에서 보는 바와 같이 바인더가 혼합될 경우 임계바인더 함량(Xc)이 존재하게 되며 Xc 이상의 바인더를 첨가할 경우 CNT가 바인더 내부에 묻혀 면저항이 급격히 증가하게 된다.
따라서 적정량의 바인더를 함유할 수 있도록 바인더의 함량을 조절하여 혼합 코팅액을 제조하고 기질에 코팅하여 우수한 광-전기적 특성과 내구성을 지니는 투명전극 필름을 제조할 수 있게 된다. 이러한 코팅기술은 기업에 이전하여 터치패널에 사용되는 ITO전극을 대체하기 위한 상용화를 준비 중에 있다. 또한 이 기술은 습식코팅 공정을 기반으로 하여 공정단가 50% 이상 절감이 가능하고 ITO 대신에 '꿈의 소재'로 불리는 탄소나노튜브를 이용하기 때문에 재료의 국산화와 더불어 원가도 대폭 절감할 수 있다.
또한 상업화 완료 시 전도성 고분자, ITO 등 관련소재의 대일 수입대체 효과뿐만 아니라 ITO 대체소재의 출현으로 인해 산업전반에 미치는 영향이 매우 클 것으로 기대된다. 이 기술을 응용하면 각 성분의 농도조절에 따라 터치스크린은 물론 휘어지는 디스플레이(Flexible Display) 등 디스플레이 산업 전반에 다각도로 활용할 수 있는 것도 큰 장점으로 꼽힌다. 연구진은 향후 반도체 라인 등 생산공정에서 먼지가 달라붙지 않게 하기 위해 사용되는 정전기 방지용 정전분산 필름 및 트레이, 전자파 차폐 필름 등 외에 디스플레이용 투명전극, 간편한 휴대가 가능한 플렉시블 디스플레이, 태양전지 등의 각종 유연(flexible) 전극으로 활용한다는 계획이다.
또한 탄소나노튜브를 이용한 터치패널용 ITO 대체 투명전극 개발에 있어서, 최근의 빠른 기술진보와 정보의 홍수시대에서, 정보의 생성보다는 정보의 효율적인 전달이 중요한 문제로 부상되고 있으며, 이에 대한 솔루션으로 멀티터치 기능의 중요성이 더욱 증대될 전망이다. 현재 터치스크린 LCD에 적용되는 터치패널 기술은 저항막, 정전용량, 초음파 및 적외선 방식 등 다양한 기술이 있으며, 이중 정밀도가 높고 멀티터치의 기능을 수행할 수 있는 정전용량 방식이 이러한 이유에서 차세대 터치패널 기술의 핵심으로 부상할 예정이다. 특히 정전용량 방식의 터치 구동을 위해서는 ITO 필름을 강산이나 레이저로 에칭하는 공정을 필수적으로 수반하게 되며, 공정단가의 상승뿐만 아니라 공정 효율의 저하로 인해 궁극적으로 터치 적용단가 상승의 원인이 되고 있다. 현재 국내에서 멀티터치 기능의 요구가 높음에도 불구하고 적용율이 떨어지는 이유가 여기에 있다.
반면 CNT/바인더 혼합액을 이용한 기술은 면코팅 필름뿐만 아니라 인쇄방식의 직접패턴이 가능하여 공정단가와 효율을 동시에 개선하는 효과가 있어 정전용량 방식에 가장 적합한 기술이라 할 수 있다(그림 3).
그리고 최근에 한국전기연구원에서는 탄소나노튜브/바인더 일액형 코팅액을 이용해 투명하면서 전도도를 지니고 초발수 특성을 지니는 코팅기술을 개발하였다. 연구팀은 연잎의 자가세정능력을 모방하기 위해 물을 싫어하는 플루오로기를 지닌 실란 물질을 바인더 소재로 사용하여 탄소나노튜브/바인더 혼합액을 제조했다.
이 용액을 표면에 코팅할 경우 탄소나노튜브는 초발수의 조건인 나노에서 마이크로 수준의 돌기 또는 기공을 형성시키고, 표면에너지가 작은 플루오로실란은 물을 싫어하므로 연잎의 초발수 표면을 구현할 수 있다(그림 4). 이러한 투명 초발수 전도성 코팅 기술은 기존의 대전방지, 전자파 차폐 등의 기능성에 고투과도와 자가세정 능력을 부여한 것으로 각종 광소자 및 기능성 유리 등의 코팅소재로 활용할 수 있으며, 고투과도와 자가세정 능력, 그리고 발열히터 특성이 동시에 요구되는 자동차의 열선(熱線) 유리, 스마트 윈도우, 대전방지 코팅, 전자파 차폐 코팅 등에도 다각적으로 활용이 가능하다.
CNT 기반 투명전도성 필름의 향후 전망
CNT 기반 투명전극 기술은 장기적으로 플렉서블 디스플레이 기술동향과 밀접한 관련이 있다. E-paper 기술을 시작으로 2010년경부터 본격적으로 시장을 주도하게 될 플렉서블 디스플레이기술의 요소기술로서 CNT 투명전극이 사용될 것으로 판단된다.
최근 발표된 플렉서블 디스플레이 기술 및 시장전망 자료에 따르면 유럽의 폴리모 비전이나 플라스틱 로직과 같은 파이오니어의 성격을 가진 회사들이 e-book의 상용화 단계를 추진 중에 있고, 대규모 양산과 시장창출 능력이 있는 한국의 삼성전자와 엘지필립스 LCD를 비롯해 일본의 많은 디스플레이 회사들이 다양한 기술기반의 방식을 가지고 이 시장영역에 뛰어들 준비를 하고 있다.
또한, 2011년부터는 3인치급 이하의 LCD와 OLED 기반의 플렉서블 디스플레이를 채용한 하이 엔드의 모바일폰이 등장하고, 2013년에는 4인치에서 9인치급의 OLED기반의 모바일폰 이외의 다양한 애플리케이션에도 플렉서블 디스플레이가 채용될 것으로 전망한다. 기본적으로 기존의 TFT-LCD와 동등한 수준의 품질을 구현한 플렉서블 디스플레이가 출현한다면, 전체 애플리케이션을 대체하는 속도는 매우 빠르게 진전될 것으로 확신한다.
2016년부터는 LCD, OLED 기반의 10인치 이상 급의 대형 디스플레이 시장, 즉 기존의 노트북, TV, 모니터 등도 기존과는 전혀 다른 디자인과 콘셉트를 담은 신제품들이 개발되고 상품화될 것으로 전망된다. 기존 애플리케이션의 대체시장분야에서는 단기시장(5년 이내)에서는 모바일폰이 그 대세이고, 장기시장(9년 이후)에서는 10인치 이상의 대형 디스플레이 시장에서 TV, 노트북, 모니터 등이 대체되는 플렉서블 디스플레이가 적용될 것으로 본다(그림 5).
플렉서블 디스플레이 시장은 2010년 약 2.8억 달러에서, 2015년 약 59억 달러, 2017년 약 122억 달러의 시장을 형성할 것으로 전망된다. 플렉서블 시장은 장기적인 관점에서는 기존의 다양한 디스플레이가 궁극적으로 가장 효율적인 1, 2개의 디스플레이 기반 기술로 단순화 되고 통합되는 과정을 거칠 것으로 예상된다.
또한 지금까지의 개념과는 완전히 차별화되고 다른 개념의 노트북, 모니터, TV 혹은 이러한 기능들을 통합한 새로운 개념의 디자인과 기능을 가진 디스플레이 애플리케이션이 등장할 것으로 보인다.
상기와 같은 차세대 디스플레이 외에 단기적으로 CNT 투명전극의 유망한 응용분야로 저항막식 터치패널을 들 수 있다. 터치패널에는 저항막식, 정전 용량식, 광학식, 초음파식 등의 종류가 있으며, 각각 장단점을 가지고 있다. 저항막식은 PDA, OA, FA 기기 분야에서 가장 일반적인 방식이며, 구조는 ITO막을 부여한 플라스틱 필름의 상부전극과 하부전극 사이에 스페이서를 개입시켜 샌드위치장이 되어 있다.
현재 베이스 필름은 PET 수지가 중심이며 그외에 PES, PC, PAR 등이 사용되고 있다. 그림 6은 EMI, FPD, 터치 패널의 투과도-면저항 요구치와 Eikos사의 수준을 보여주고 있다. 현재 국내에서는 한국전기연구원의 나노카본소재연구그룹에서 개발한 CNT투명전도성 코팅기술이 기업에 이전되어 터치패널용 ITO필름을 대체하는 상용화를 눈앞에 두고 있다. 향후 다양한 분산기법의 활용을 통해 CNT 투명전극의 투과도-면저항 특성이 보다 획기적으로 개선할 경우 디스플레이 전극소재로의 응용 등 그 파급효과는 매우 크다 할 수 있다.
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