국내 연구진이 투명하고 휠 수도 있는 디스플레이에 적용 가능한 전극 제조기술 개발에 성공했다. 이에따라 향후 관련 산업 및 시장에 큰 전기를 마련할 전망이다.

ETRI(한국전자통신연구원) 홍찬화 박사는 은(Ag) 소재를 이용, 나노급 와이어에 전자빔(electron beam)을 쏘아 투과성이 좋고, 저항이 낮은 투명전극 제조 원천기술 개발에 성공했다고 7일 밝혔다.

본 기술은 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재(http://www.nature.com/articles/srep17716)되었다.  

 

기술의 핵심은 은(Ag) 나노와이어 (단면 지름이 1나노미터(1나노 : 10억분의 1미터) 정도의 극미세 선으로 이것을 만드는 기술은 세계를 변화시킬 10대 신기술 가운데 하나로 꼽히며, 현재 나노테크놀러지 분야서 가장 효율적 분야중 하나로 평가됨.)에 전자빔을 쏘아 투명하고 휠 수 있는 디스플레이 등에 적용 가능한 투명전극을 제조가 가능한 기술과 제조과정에서 송풍건조공정(air-dry process) (열기를 가진 바람을 이용하여 은(Ag) 나노와이어를 기판에 균일하게 분산시키는 공정)을 개발, 적용한 것이다. 

연구진은 기존 디스플레이 패널 등에 사용되던 투명전극 소재는 인듐 주석산화물(ITO ITO(Indium Tin Oxide))이었는데 소재가 자원적 한계가 있고 가격이 비싸며 유연성이 떨어져 고품질의 투명전극 구현에 어려움이 있어 왔다. 

ETRI는 이런 이유로 인듐 주석산화물을 대체할 방법을 찾던 중 현재 사용되고 있는 은(Ag) 나노와이어에 착안했다.

은(Ag) 나노와이어는 현재도 휘는 디스플레이에 적용되고 있는 소재다. 전기전도성이 매우 우수하고 지름이 작아 네트워크 구조의 투명전극으로 활용이 가능해 기존 전극을 대체할 재료 중 하나로 주목받고 있다. 

하지만 은(Ag) 나노와이어는 와이어간 접촉 저항이 높고, 분산공정 기술이 미흡, 효율성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 

ETRI는 이러한 단점을 없애기 위해 나노급의 와이어가 중첩되는 지점이 전기가 잘 통하지 않음에 따라 전자빔을 쏴서 녹게 만들어 저항을 낮춰 전기가 잘 통하게 하는데 성공했다. 교차되는 지점의 나노와이어 크기는 27.5 나노미터(㎚) 크기로 사람 머리카락 두께의 약 1/3000 수준이다.

따라서 기존 전극으로 쓰던 인듐 주석산화물의 경우, 박막형태라서 휘면 깨지는 문제점이 있었는데 이를 원천적으로 해결한 것이다. 

아울러 기존 전극 제조시에도 생산단가나 진공장비를 사용함에 따라 많은 어려움이 있었는데 공정과정중 은(Ag) 나노와이어를 얇고 고르게 퍼지게 함에 있어 송풍건조 방식을 채택, 제조공정의 혁신을 이루기도 했다.   

이에따라 전자빔을 수 십초 쏴주는 방식을 활용, 투과성이 좋고 저항 (89%의 고투과, 50 Ω/sq의 면저항)이 낮은 특성의 전극 제작에 성공했다.

ETRI 나노인터페이스소자연구실 홍찬화 박사는 “이번 개발된 투명전극 제조기술은 인듐주석산화물의 대체가 가능한 금속 나노와이어 투명전극을 간단하면서 빠른 시간에 만들 수 있는 기술이다”고 말했다.

또한, 연구진은 전자빔을 이용한 은(Ag) 나노와이어의 제조기술이 금속 나노소재의 전기적 특성을 개선할 수 있는 매우 유용한 기술로 각종 디스플레이 및 터치패널, 휠 수 있는 소자 전극으로도 활용이 가능 할 것으로 기대했다. 

ETRI는 연구 개발된 차세대 투명전극 제조기술을 산업체와의 협력을 통해 2~3년내 상용화를 기대하고 있다. 

본 연구는 고려대학교 주병권 교수팀, 순천대학교 곽준섭 교수팀과 공동으로 진행되었으며, 산업통상자원부의 『하이브리드 전극을 활용한 차세대 멀티터치 IC 및 모듈개발』과 한국연구재단 대학중점연구소 사업의 지원으로 개발 되었다. 

        <ETRI에서 개발된 은 나노와이어의 제작 과정 모습> 

           <유리기판에 제조된 은 나노와어어 사진>

가운데 투명하게 보이는 사각형이 제조된 결과로 2cm x 2cm 크기임

■ ETRI에서 개발 된 은 나노와이어의 전자빔 조사 유무에 따른 개별특성_  

송풍건조공정을 통해 도포된 은나노와이어는 서로 걸쳐 있는 모양이지만, 전자빔 조사 후에는 와이어들이 중첩되는 부분이 서로 결합하는 모습을 나타낸다. 이 같은 현상이 면저항을 현저히 낮추는 주요 원인이 된다.

■ ETRI에서 개발된 은 나노와이어의 전자빔 조사 유무에 따른 개별특성_2  도포 된 은나노와이어들이 중첩되는 부분에서 전자빔 조사 전(a)에는 와이어들 각각의 결정 방향(c) 을 나타내고 있지만, 전자빔 조사 후 와이어들(e)이 중첩되는 부분은 서로 결합 하면서 하나의 결정 방향(g)을 나타낸다는 것을 확인 하였다. 

■ 투명히터에 적용된 은 나노와이어의 전자빔 조사 유무에 따른 온도 변화_  

95 Ω/sq의 면저항을 보이는 은나노와이어는 전자빔 조사 후 49 Ω/sq까지 면저항이 줄어드는 것을 확인 하였으며, 전자빔 조사 후에도 고투과(89%)를 유지하고 있다.  

■ 투명히터에 적용된 은 나노와이어의 전자빔 조사 유무에 따른 온도 변화_ 투명히터를 제작하여 전압을 걸어 주었을 때 같은 전압에서 면저항이 낮은 전자빔 조사된 은나노와이어가 전자빔을 조사하지 않은 은나노와어어 보다 더 높은 발열반응을 보이는 것을 확인 하였다. 

 

인듐주석산화물(ITO)를 대체하려는 차세대 투명전극 소재 개발은 지속적으로 이루어 지고 있으며, 그 예로는 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(CNT), 메탈메쉬등이 있고 대표적으로 금속나노와이어가 차세대 투명전극 소재로 각광 받고 있다. 은의 나노입자표면은 여러 가지 Crystal plane으로 이루어져 있고 이들의 반응성 차이를 이용하여 이등방성 성장을 유도하여 길쭉한 와이어 형태로 만들 수 있으며, 이를 은 나노와이어라 한다. 은 나노와이어는 증착이 아닌 인쇄공법의 적용이 가능하여 경제적이며, 곡면 제작이 가능해 플렉시블 디스플레이에도 적용이 가능하여 인듐주석산화물(ITO를) 대체 가능 할 것으로 기대된다. 

  투명히터는 자동차, 선박, 건물 유리창 등에 설치되어 투명하지만 전압을 인가해 주었을 때 온도가 올라가 서리를 제거해주고, 방지해주는 역할을 하는 장치를 말한다.  투명히터를 제작하기 위해서는 글라스와 같은 투명한 기판에 투명전극을 형성하여 전압을 인가해 주게 되며, 투명전극의 저항이 낮으면 낮을수록 발열되는 온도는 높아진다. 전자빔 조사 후의 은나노와이어에 7V의 전압을 인가하였더니,  약 1분 뒤에 50도 까지 온도가 올라가는 것을 확인 할 수 있다. 이는 전자빔 조사 전의 40도 상승에 비해 높은 수치이다.