남 수 용 (부경대학교 인쇄정보공학과 교수, suynam@pknu.ac.kr) 제1절 나노정보입출력소자 04
1 기술 개요
1.1. 기술 정의
● 터치스크린패널
(Touch Screen Panel, TSP)
은 스크린에 사용자가 손가락이나 펜 등을 이용하여 화면을 누르면 접촉된 위치를 인지하여 시스템에 전달하는 입력장치로서 스마트폰의 보급에 힘입어 널리 확대되고 있는 기술-TSP는 터치센서, 컨트롤러 IC 및 MUC로 구성되는 H/W와 드라이버 S/W로 구성되며, 터치스크린패널은 LCD와 같은 평판디스플레이 표면에 부착되는 형태로 구성되거나 디스플레이의 커버글라스에 제작 가능 -TSP 구성요소 중에서 터치센서는 ITO(Indium Tin Oxide), 은 메탈메쉬, 은 나노와이어 등의 투명전극
재료를 사용하여 필름 또는 유리 기판 위에 X축, Y축 전극을 형성하여 위치를 구분할 수 있는 소자 - 개발이 진행 중인 터치스크린패널에서의 핵심나노기술에 대해서 소재적인 측면에서는 고투명･
Bendable･Wearable 터치가 가능한 디바이스 제조기술이 요구 그림 1 터치스크린패널의 기본 구조1)
1) 산업통상자원부, 산업기술혁신개발사업 기술개발 보고서 (2019.02)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 현재 투명전극 소재 기술
❘
가장 많이 사용되고 있는 투명전극 소재는ITO
로,
투과율은 상당히 우수하지만 일본의 한 개 업체가 독점적이므로 고가이고,
연성이 약하기 때문에Bendable
이나Wearable
그리고 높은 저항으로 말미암아 대형 터치 디스플레이에는 적용이 불가능하다는 것이 문제- 투명전극으로 ITO은 높은 사양이 요구되는 모바일 기기에 주로 적용되고 있었으나 TSP의 사이즈가 휴대폰에서 태블릿PC, 노트북, 모니터로 대형화되면서, ITO의 높은 저항값이 이슈가 되었고 ITO 필름을 대체할 대체재의 필요성이 대두
- 시장의 요구는 터치 어플리케이션의 대형화와 ITO의 사용에 따른 희토류 인듐의 수급 문제 그리고 보다 플렉시블을 가능하게 하는 소재가 요구
● 메탈메쉬 및 은 나노와이어 기술
❘
대형 터치패널용 투명전극으로써 상용화에 가장 근접해있는 것이 메탈 메쉬 및 은 나노와이어 기술로,
메탈메쉬는 모아레의 현상을 방지하기 위해서 다음과 같이 다양한 형태로 개발 중그림 2
정방형 무작위형 융합형
그림 3 12인치 메탈메쉬의 베젤전극과 센서전극의 SEM형상
그림 4 50nm 은, 나노 은이 충전된 베젤전극, 2.5㎛ 및 800nm 센서전극 SEM형상
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 터치패널용 투명전극
❘
국내 투명전극 시장은2020
년에826.9
백만 달러로, 10
년 전에 비해서 성장세가 많이 줄었지만 향후에도 대형 터치패널 중심으로 그 수요가 증가될 것으로 판단- 터치패널이 주로 응용되는 분야는 2013년 모바일 폰, 태블릿 PC, 노트북 PC, AIO PC, 모니터였지만, 2014년에는 자동차용, 스마트 와치와 같은 착용형 스마트 기기(Wearable Smart Devices), 광고, 3D 곡면 등의 분야로 터치 채용이 확대
- 터치패널 소재별 시장전망을 살펴보면, 플렉시블 디스플레이의 시장 진출에 따라 터치패널도 새로운 소재의 필요성이 대두되고 있으며 은 메탈메쉬, 은 나노와이어 등 금속 전도체가 우세
- 일반 전자 디스플레이와 비교하면 터치센서는 제조원가 측면에서 투명전극이 차지하는 비율이 높아 ITO 대체 신소재가 진입하기에 적합한 시장으로 파악
-ITO 소재를 대체하기 위해서는 저가의 생산기술로 ITO와 동일한 전기적, 광학적 특성을 충족해야 하며, 터치 및 디스플레이의 메이저 기업들과 전략적인 협업이 필요
표 1 터치패널에 적용된 투명전극 시장 전망2)
(단위 : 백만 달러)
Material 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
ITO 182.6 287.6 371.2 424.8 478.7 535.2 588.5 652.8 713.6
In-free Oxide 1.3 3.0 5.4 7.7 9.8 11.6 14.4 18.4 23.2
전도성 고분자 0.4 1.5 2.7 4.5 6.2 8.7 11.8 14.7 23.2
CNT 1.1 2.4 3.9 5.0 7.7 9.9 13.1 16.2 22.3
Graphene 0.2 0.3 1.6 3.2 3.6 5.8 9.8 12.5 15.7
Metal Conductor 0.7 2.4 3.9 6.8 8.8 11.1 16.3 21.3 28.9
Total 186.3 297.2 388.7 452 514.8 582.3 653.9 735.9 826.9
- 정보통신기술(ICT), 사물인터넷(IoT), 빅데이터, 증강현실(가상현실) 등의 첨단 통신기술과 이를 사람과 직관적으로 연결하는 지능형 입력장치로서 터치스크린 패널 기술은, 미래 IT융합 산업의 성장을 견인할 핵심기술 중 하나
- 이러한 지능형 입력장치인 터치스크린 패널은 디스플레이 방식 변화의 대응에서부터 인간 감성의 전달에 이르기까지 전후방 연관 산업과의 연계를 통해 시너지 창출이 기대되는 중요한 산업 분야이자 파급효과가 큰 산업
2) DisplayBank, 투명전극 기술 및 시장전망 (2014)
그림 5 터치패널 융합산업의 기술 로드맵, ICT
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 생산수율
- 대형 터치패널용 투명전극은 대부분이 은 메탈메쉬를 이용한 것이며, 패턴의 크기는 약 8~9㎛ 수준 - 따라서 대형 자판기와 같은 제품에는 문제없이 적용 가능하지만, 디스플레이용으로는 적용이 불가능 - 전자 디스플레이에 적용하려면 메쉬 패턴이 사람의 눈에 보이지 않도록 패턴 1㎛ 이하가 반드시 필요하며,
나노 스케일 패턴이 가장 최적
- 현재 2~3㎛도 생산수율이 현저하게 떨어지기 때문에 생산수율을 증가시키는 것이 가장 시급한 문제이고, 가능하면 1㎛ 이하의 패턴에 흑색 나노 은 페이스트로 시인성을 개선하는 것이 해결해야 할 가장 큰 이슈
2 기술 동향
2.1. 국내 ･외 동향
● 투명전극은 터치패널의 원가에서
25%
를 차지할 만큼 비중이 큰 소재이며,
세계 시장도4~5
조 원대의 규모 - 일본 Nitto-Denko가 세계 ITO 필름 시장의 85%를 장악하고 있고, ITO 원소재 인듐도 전체 생산량의73%가 중국에 집중되어 있어 ITO를 대체할 수 있는 신재료의 개발이 절실
-ITO 필름은 대형 면적의 터치패널을 구현하기 위해 결정화를 통한 저항 감소는 한계가 있고, 잘 부러지는 문제점으로 향후 플렉시블 디스플레이용 터치에는 적용이 어렵다는 전망
● 다양한 대체소재가 개발되고 있지만 상용화에 가장 근접한 기술은 메탈 메쉬와 은 나노와이어인데
,
전도성이 높은 순수 금속을 사용하기 때문에 저항값이 낮고,
유연성이 높아 플렉시블 디스플레이에 적용 가능●
Metal Mesh
는ITO
보다 센서 감도도 우수하고, 13
인치 중대형 디스플레이에서50
인치 대형 화면까지 터치 패널 제작이 가능하다는 장점을 보유- 메탈메쉬는 우수한 투명성을 위해 사용하는 격자무늬가 고해상도 디스플레이의 픽셀과 겹쳐 물결무늬처럼 보이는 모아레 현상이 발생하는 시인성 문제가 존재
- 중대형 터치패널은 3㎛ 선폭으로 공정을 양산에 적용하고자 노력하고 있는데, 이를 위해서는 상압용 공정보다는 노광 공정이 적용되어 공정단가를 줄일 수 있다는 장점이 희석될 가능성이 우려
-Ag Mesh는 O-film, 미래나노텍, Cima Nano Tech, LG 이노텍, Gunz, 잉크테크, 시노펙스 등이 주요 개발 업체이며, Cu Mesh는 Toppan, DNP, LG화학, 금호전기, Unipixel 등이 주요 개발 업체
● 은 나노와이어 필름은 미국
Cambrios
의 원천기술인 은 나노와이어가 포함된 용액을 필름 위에 코팅하여 사용 중이며, 2012
년 삼성이Cambrios
에500
만 달러를 투자하며 긴밀하게 협력 중- 은나노와이어 필름은 전도도를 향상시키기 위해 원재료인 은의 투입량을 증가시키면 원가 경쟁력이 떨어지는 문제점과 균일한 코팅공정을 확보하는 것이 해결해야 하는 과제
- 은 나노와이어는 Cambrios의 소재를 사용하는 LG전자, E&H, 효성, 3M, TPK Film solution이 있고, 자체적으로 필름까지 생산하는 Carestream이 주요 개발 업체이며, Fujifilm은 기존 필름 사진인화 기술을 활용한 Ag halide로 제품을 출시
-20인치 이상에서는 은 나노와이어 필름, Ag Metal Mesh, Cu Metal Mesh 필름 등으로 GFF 또는 GF2로 GG 시장을 대체하는 추세
- 전 세계 전도성 나노 분말 시장은 약 6조 원 규모(국내시장은 8,000억 원)
그림 6 터치패널용 도전성 잉크의 용도 및 페이스트의 시장 현황3)
3 시사점(기술수준)
표 2 터치패널 분야별 선진국 기술 격차4)
분류 상대수준 격차기간(년수)
한국 미국 일본 EU 중국 한국 미국 일본 EU 중국
Touch Panel 소재 84.5 83.7 100 77.5 69.4 1.2 1.1 0.0 1.6 2.5
점/접착 소재 82.3 94.4 100 92.4 71.1 2.0 0.4 0.0 0.6 3.1 나노필름 소재 83.2 98.0 100 88.1 70.0 1.5 0.2 0.0 1.1 2.5 오감 인터렉션 S/W 74.6 100 84.0 84.7 66.4 2.1 0.0 1.4 1.4 3.0
● 터치패널 관련 업체들은 수익률의 감소를 만회하고
,
중국의 가격 공세에 대비하면서 중대형 디스플레이용 터치패널을 개발해야 하는 다중고에 직면● 터치패널에 사용될 전극으로
bendable, flexible, stretchable
특성을 가진 투명전극 개발이 여러 연구 그룹에서 진행 중● 다양한 유연 투명전극들 중 은 나노와이어 및 메탈메쉬는 우수한 전도성 및 투명성으로 가장 주목받는 전극으로 기대
● 향후 폴더블 터치패널의 경우
,
낙하 시 파손방지(
비산방지),
저소비전력, bending
횟수에 따른 주름 발생 및 저항 증가 문제가 잘 해결되면 새로운 터치패널 시대가 열릴 것으로 전망3) IDTechEx (2014.04)