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차세대 투명전극 (Graphene, CNT,Ag nano ....

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글쓴이 김대웅 등록일 12-07-20 14:23
조회 8,475
    차세대 투명전극 (Graphene, CNT,Ag nano wire) 특성과 업계동향
     
    투명전극은 통상 80% 이상의 고투명도와 면저항 500 Ω/sqm 이하의 전도도를 가지는 
    전자 부품으로 LCD 전면 전극, OLED 전극 등 디스플레이, 터치스크린, 태양전지, 
    광전자 소자 등 전자분야에 광범위하게 사용되는 기술이다.
    현재 주로 채용되고 있는 기술은 증착법이나 스퍼터링법에 의해 제조한 ITO(Indium Tin Oxide) 
    필름이 일반적이다. 하지만 무기물인 ITO는 휨에 약하여 유연성에 한계가 있고, 인듐자체가 
    희소금속으로 자원 고갈의 우려도 있다. 유기계 전도제를 이용한 필름도 개발되고 있지만 
    전도성을 향상시키는 경우 착색과 내구성에서 문제가 되고 있다.
    이러한 ITO 필름 시장은 니토 덴코, 토요 보세키 등 일본업체가 전체 시장의 70%를 점유하고 있다. 
    터치패널용 제품을 공급하는 제조사 중에는 니토 덴코가 시장의 30%를 점유하고 있고 
    오이케 쿄교가 그 뒤를 잇고 있다. 이외에 삼성코닝, 미국의 CP필름, 네오팩 등이 
    ITO필름 대표 진영으로 꼽힌다.
    이처럼 수요가 늘어가는 투명전극 소재는 원가 절감, 투명도 대비 전도도 개선 등을 위해 
    차세대 소재 개발이 활발히 진행되고 있다. 
    이 중 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT), 은 나노와이어(Ag nano wire) 의 개발 동향과 관련 
    업체/기관의현황을 살펴보고자 한다.
     
    투명전극용 소재의 요구 특성
    ● 투과율(@ 550nm): ≥ 80 %, (base film 투과도 100% 기준)
    ● 면저항: ≤ 103 Ω/sq
    ● 균일도: ≥ 99 %
    ● 내굴곡성: 직경 10.0mm, bending test 10,000회 후 면저항 값 동일
    ● 패턴 정밀도: ≤ 2 μm
     
    1. 그래핀 (Graphene)
    그 래 핀 (graphene)이라는 말의 유래는 흑연을 뜻 하 는 그래파이트(graphite)와 탄소의 
    이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사인 -ene가 결합되어 만들어진 용어이다. 
    흑연의 한 층(0.35nm, 원자 한 층 두께)을 떼어내면 탄소원자가 육각형으로 연속 결합된 구조가 
    나타난다. 탄소 원자가 구형으로 뭉치면 풀러린 (Fullerene), 원기둥 모양으로 말리면 
    탄소나노튜브, 펼치면 그래핀이 된다.
    그래핀의 강도는 다이아몬드보다 2배나 강하며 강철보다는 200배나 강하다. 
    그리고 다이아몬드는 전기가 통하지 않는 부도체이지만 그래핀의 경우 전기가 아주 잘 통하며, 
    전기전도도가 구리보다 100배 이상이나 높다. 
    예를 들면 빛이 진공에서 초당 30만 km라는 일정한 속도로 이동한다면, 전자는 그래핀에서 
    초당 1000km 일정한 속도로 움직인다. 이러한 차이를 나타내는 이유는 탄소와 탄소를 
    연결시키는 결합의 차이 때문이다. 다이아몬드가 단일결합을 하는데 비해 그래핀은 
    이중결합을 하고 있다. 이중결합은 이름에서 알 수 있듯이 탄소와 탄소를 연결해주는 
    다리가 두 개가 있는 형태이다. 따라서 이중결합은 탄소와 탄소를 연결해주는 다리가 하나인 
    단일결합보다 더 강한 결합이기 때문에 다이아몬드와 그래핀의 강도를 비교했을 때 
    강도가 더 센 것이다. 그리고 이중결합 즉 두개의 결합 중 하나를 통해서 전자들이 
    그래핀들 사이를 왔다갔다 할 수 있게 된다. 이 말은 결합이 하나뿐인 다이아몬드는
    전기가 통하지 않지만 그래핀은 전기가 통한다는 의미이기도 하다.
    육각형의 벌집 모양 덕분에 충격에도 강하다. 그물을 구부리거나 당기면 모양은 변하지만 
    그물의 연결 상태는 변하지 않는 것과 마찬가지로 육각형 구조의 빈 공간이 완충 역할을 
    하기 때문이다. 따라서 면적의 20%를 늘려도 끄떡 없을 정도로 신축성이 좋다. 
    구부리거나 늘려도 전기 전도성이 사라지지 않으며 빛의 98%를 통과시킬 정도로 투명하다. 
    그래서 투명전극인 ITO를 대체할 수 있는 차세대 소자로 가장 각광받고 있다.
    (Source: Bae, S., Nature nanotechnology, 5, 574, (2010))
     
    한국에서는 2009년 성균관대 화학과 홍병희 교수가 가로세로 약 2cm의 휘어지는 
    투명전도필름을 세계 최초로 개발해 과학학술지 네이쳐에 발표했으며, 
    그 후 2010년 6월 그래핀으로 30인치 크기의 터치스크린을 세계 최초로 개발했다. 
    뿐만 아니라 핵심특허 보유 건수 면에서도 미국에 이어 2위이며 주로 삼성, 성균관대, KIST 등 
    한국의 3개 기관이 포진되어있다. 학계 그래핀 관련 논문 수도 중국, 미국, EU에 이어 
    세계 4위이다. 삼성전자는 성균관대와 그래핀을 적용한 플렉시블 나노전력발전소자를 
    개발했으며, 삼성테크윈은 화학증착법(CVD)를 이용해 그래핀을 합성해서 대량 생산할 수 있는 
    파일럿라인(샘플용 생산라인)을 구축했다. 삼성테크윈 뿐만 아니라 동진쎄미켐은 코팅 및 
    인쇄전자용 그래핀 잉크, 포스코는 저가 생산기술, LG화학은 디스플레이와 2차 전지에 
    응용할 방법을 찾고 있다.
    EU경제위원회는 향후 10년간 총 10억 유로(1.6조 원)에 달하는 EU Graphene Flagship 프로젝트를 
    추진 중에 있는데 이 프로젝트에는 29개국 60여개 기관이 참여하고 있다. 
    대표적으로 영국은 500만 파운드 (약 900억 원), 덴마크는 약 120억원, 스웨덴은 약 70억 원 규모를 
    이미 그래핀 상용화를 위한 R&D에 쏟아 붓고 있다.
    미국도 국가과학재단(NSF, National Science Foundation) 주도로 최근 5년간 2천8백만 달러(3.2조 원)을
    그래핀을 이용한 RF 소자개발을 위해 투자하고 있으며, 2011년 3천만 달러를 투자하여 8인치 급의 
    그래핀 웨이퍼 및 고속 RF 소자 개발을 추진 중에 있다.
    일본은 최근 경제산업성 산하 산업기술총합연구소(AIST)를 중심으로 그래핀의 기초 및 응용연구를 
    지원하고 있는데 2010년 약 140억 원의 정부 R&D 자금을 투자, 그래핀의 합성 및 응용 기술 개발을 
    현재 추진 중이다.
    싱가포르에서도 싱가포르 국립대 그래핀 센터를 중심으로 향후 5년간 약 1000억 원을 투자하여 
    그래핀 상용화를 선도하기 위해 박차를 가하고 있으며, 노벨상 수상자급 연구자들을
    초빙하여 그래핀 기초 및 응용 연구를 집중 육성할 계획을 가지고 있다.
     
    2. 탄소나노튜브 (CNT, Carbon Nano Tube)
    그래핀보다 먼저 발견된 탄소나노튜브는 지금으로부터 약 20년 전인 1991년 일본의 
    이지마 박사가 우연히 흑연전극에 붙은 물질로 발견되었다. 나노(10억분의 1)라는 이름에서
    알 수 있듯이 탄소나노튜브는 육각형 고리로 연결된 탄소들이 지름 1나노미터의 원통모양을 이루고 있다.
    탄소나노튜브가 이전에 큰 주목을 받은 이유는 탁월한 물질적인 특성 때문이다. 
    우리가 전선으로 이용하고 있는 구리보다 열전도율이 천 배 이상 높고 초저온에서는 초전도의 성질을
    보이기도 하며, 구리전선은 가늘게 만들수록 열의 발생문제가 심해지는데 반해, 
    탄소나노튜브는 열을 잘 방출하기 때문에 안정적으로 전기를 흘려 보낼 수 있다. 
    또한 강철보다 강하면서 탄성률이 좋아 잘 휘어지는 특성을 가지고 있다. 물론 속이비어 있어서 
    철보다 무게가 훨씬 가볍다.
    특히 박막형성의 두께에 따라 CNT의 전기적 특성인 박막 표면의 면저항 값을 조절할 수 있어 
    플렉서블 투명전극으로 더욱 관심을 받았다.
    CNT를 적용한 투명전극 기술은 미국과 일본에 의해 주도되고 있다. 미국의 에이코스는 
    단일벽 CNT를 이용해 투명전도성 박막을 개발, 관련 특허를 출원했고, 인비시콘이라는 
    이름으로 제품을 출시했다. 미국 유니다임은 CNT 제조업체였던 CNI와 합병, 플렉서블 단일벽 CNT 
    투명전도성 전극을 개발했고, 터치스크린과 LCD, OLED에서 사용되는 ITO 투명전극을 대체하기 위해 
    연구를 진행 중이다.
    일본의 경우 미쓰비시 레이온에서 단일벽 투명전도성 전극을 발표했지만, 박막의 물성이 
    미국 제품보다 떨어져 상용화에는 실패했다. 하지만 이러한 시도는 CNT 투명전극과 관련한 
    연구를 한 단계 진화시키는 계기가 되고 있다고 평가를 받고 있다.
    유럽에서는 약 20개 기업과 연구기관, 대학들이 모여 만든 `FlexDis' 프로젝트를 통해 
    플렉서블 디스플레이 개발을 위한 연구를 진행하고 있다. 핵심 소재인 CNT 투명 전도성 박막의
    경우는 최근 CNT 양산에 착수한 독일 바이어사 등 소수 연구팀이 상용화 단계에 근접했다.
    국내에서도 개발 열기가 뜨겁다. 고려대, 성균관대, 카이스트등의 대학을 중심으로 기초연구가 
    진행 중이며, CNT 투명전극에 대한 연구개발은 대기업과 벤처기업들이 앞다퉈 뛰어들고 있다. 
    디피아이솔루션, 탑나노시스 등 일부 벤처기업을 중심으로 활발한 연구가 추진 중이다.
    탑나노시스는 내구성과 전도성, 투과도가 향상된 터치스크린용 CNT 투명전극 시제품을 발표했고, 
    이를 양산 체제로 이어가기 위해 CNT 대면적 코팅 연구를 진행 중이다. 이미 감압식 TSP시장을 
    중심으로 상용화 움직임이 활발하다. 와이즈파워는 니샤가 개발한 3차원 TSP용 소재로 CNT를 
    공급하는 계약을 맺었고 탑나노시스도 내비게이션용으로 대량생산을 준비중이다. 
    필름패턴이 어려워 정전용량식 TSP에 적용하기가 쉽지는 않지만 최근 상보가 
    한국전기연구원(KERI)로부터 CNT 투명전극 필름 제조기술 이전계약을 체결해 내년부터 정전용량식 
    CNT필름 양산을 준비하고 있다.
     
    3. 은나노와이어
    (Source: 공주대학교 김상호 교수 연구팀)
    금속 중에서 가장 전도성이 좋은 것은 은이다. 은의 나노입자 표면은 여러 가지 Crystal plane으로 
    이루어져 있고 이들의 반응성의 차이를 이용하여 이등방성 성장을 유도해서 길쭉한 와이어형태를 
    만들 수 있다. 은나노와이어는 저항 값이 80~120Ω으로200~400Ω인ITO필름보다 낮아 대형화에 
    유리하며 증착이 아닌 인쇄 공법의 적용이 가능하고 곡면 제작이 가능해 플렉서블 디스플레이에도 
    적용이 가능하다.
    미국의 전자재료 제조 벤처기업인 Cambrios Technologies Corp.는 은나노 와이어 잉크 원천기술
    (ClearOhmTM 코팅필름)을 보유하고 있는데 국내의 삼성벤쳐투자에서 500만 달러를 
    투자한 것으로 알려졌다. 일본의 신에츠폴리머에서도 Cambrios잉크를 도입하여 한국의 
    한성엘컴텍에 독점제공하고 있다. 한성엘컴텍은 최근 은나노 TSP를 세계에서 처음으로 
    양산한다고 발표한 바 있다. 순수금속은 저저항에는 유리하지만 공기에 산화되는 단점 때문에 
    상용화되지 못했으나 한성엘컴텍에서 산화방지기술을 개발하면서 상용화 가능성이커졌다. 
    생산라인 설비가 마무리 되면 10.1인치 TSP기준 월10만개 생산이 가능하다고 한다. 
    잉크소재 전문기업 잉크테크는2011년 3분기에 투과율 90%이상의 은나노 ITO필름을 개발 
    양산단계까지 구축하고 전시회에서 선보인 바 있다. 최근산화 방지 처리 기술이 개발되면서 
    한성엘컴텍은 은나노필름을 개발했는데 1m2당 80Ω 저항과 92% 투과율을 구현했다.
    잉크테크의 하이브리드 투명전극필름은 은나노 와이어에 소량의 금속 재료를 첨가한 ITO 대체소재이다.
    (Source: Toray Industry)
    일본 (주)도레이 필름도 2011년 4월Cambrios잉크를 도입하여 필름 가공기술을 조합하여 
    새로운 투명 전도 필름을 제조하였다. 도레이 필름 사는 (1) 나노 레벨의 코팅 두께 제어 기술 
    (2) 습식법에 따르는 다층 적층 기술 (3) 각 유저의 가공 프로세스에 매치한 제품 설계 제안 기술을 
    보유하고 있다. 스퍼터링법 등의 진공 프로세스를 필요로 하는 ITO 필름에 비해 양산화의 면에서 
    유리하고 높은 투명 전도성, 유연성, 인비저블(invisible) 패턴성이 뛰어나 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿
    PC 등에 탑재되는 터치 패널에 적용 가능하다. 또한 대화면터치 패널에 요구되는 저저항화가 
    가능하고, 향후 3차원 형상의 터치 패널이나 태양전지, AMOLED용 전극 등에도 적용가능성이 있다.
    ITO를 대체하려는 차세대 투명전극 소재 개발이 지속되고 있다. 
    이번에 살펴본 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT), 은나노와이어(Ag nano wire) 등은 
    ITO 대체 뿐만 아니라 플렉서블 디스플레이와 같은 차세대 디스플레이 개발을 위해서도 
    꼭 필요한 분야이다. 현재의 LCD, AMOLED위주의 디스플레이 시장이 플렉서블 디스플레이 등의 
    차세대 디스플레이로 전환됨에 있어, 이러한 투명전극 소재의 중요성은 더욱 커질 것이다.
    [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:11:19 Free Board에서 이동 됨]

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