[기획특집: 미래산업 대응 소재] 유연 투명 도전용 나노 소재와 웨어러블 디바이스 응용 전망

1. 서 론

1)

최근 스마트 시계, 스마트 옷, 스마트 안경 등 웨어러블 디바이스 관련 기술이 급속히 발전하고 있고, 이러한 추세는 헬스 케어, 패션 등 더 넓은 분야로 확대되어 나가고 있다. 이와 같이 웨어러 블 디바이스 및 관련 ICT 디바이스의 수요가 증가 할 것으로 전망되면서 이에 적합한 유연 투명 도 전성 소재에 대한 관심도 함께 증가하고 있다. 투 명 도전 소재는 전기 도전성을 부여하면서 전기적 으로 도전성을 나타내는 소재를 지칭하는 것으로 인듐 주석 산화물(Indium-Tin-Oxide, ITO)이 가장 대표적인 소재로 알려져 있다. ITO는 산화 인듐 (In2O3) 격자에 주석(Sn)이 In/Sn = 90/10의 비율 로 도핑되어 전기 운반자(Carrier)가 형성되어 투 광성과 전기 도전성을 가지게 된다.

저자(E-mail: [email protected], [email protected])

이러한 ITO 투명 도전체 막의 전기 전도도의 균일성을 유지하기 위해선 ITO 조성을 균일하게 제작하는 것이 중요하다. 기존의 ITO 투명 도전체 는 Sputtering 등 박막증착 공정을 이용하여 제작 하여 왔다. 그러나, 이러한 박막 증착 공정을 제작 된 ITO 박막은 유연성이 거의 없어 플렉서블 기판 상에 증착하여 약간만 변형을 인가해도 Figure 1 과 같이 휨 또는 뒤틀림에 의해 균열 파괴가 발생 하고 이로 인해 막의 저항이 급격히 증가하여 도 전체로서의 특성을 잃게 된다.

유연 투명 도전용 나노 소재와 웨어러블 디바이스 응용 전망

홍 성 제^1,†⋅한 정 인^2,†

1전자부품연구원 디스플레이소재부품연구센터, ²동국대학교 화공생물공학과

Nano-scaled Materials for Flexible Transparent Conduction and Their Prospects on Application to Wearable Devices

Sung-Jei Hong^1,† and Jeong In Han^2,†

1Display Components and Materials Research Center, Korea Electronics Technology Institute, Seongnam 13509, Korea

2Department of Chemical and Biochemical Engineering, Dongguk University-SEOUL, Seoul 04620, Korea

Abstract: 본고에서는 기존의 ITO 박막을 대체하여 유연한 특성을 나타낼 수 있는 투명 도전체용 나노 소재의 동향 및 웨어러블 디바이스의 동향을 살펴보고 이로써 투명 도전체용 유연 나노 소재의 웨어러블 디바이스에 적용 전망에 대해 고찰하였다. 은 나노선(Ag nanowire) 등 유연 특성을 갖춘 투명 도전용 나노 소재는 웨어러블 디바이스에도 적용 이 가능할 것으로 전망되지만, 상용화에 성공하기 위해선 하이브리드 구조화 등 나노 소재들의 약점을 보완할 수 있는 연구가 필요하고 이들이 웨어러블 디바이스 시장에서 성공적으로 상용화될 수 있도록 지속적인 노력이 필요하다.

Keywords: Wearable devices, Transparent conductors, Flexible properties, Ag nanowires, Hybrid structures

(a) 변형 전

(b) 변형 후 Figure 1. Sputtering으로 제작한 ITO 박막의 변형에 의한 균열 및 파괴.

용한 투명 도전체 막 제작 공정도 기존의 박막 증 착이 아닌 다이렉트 프린팅으로 대체하는 것이 다. 다이렉트 프린팅이란 미리 입력된 디지털 신 호에 의해 기판 위에 직접 프린팅되어 막을 제작 하는 것으로 기존보다 가격이 낮으면서 유연한 막 을 제작할 수 있는 공정이다. 이러한 다이렉트 프 린팅의 장점을 최대화하기 위해선 프린팅에 사용 되는 투명 도전체용 나노 소재의 선택이 매우 중 요하다. 본고에서는 기존의 ITO 박막을 대체하여 유연한 특성을 나타낼 수 있는 투명 도전체용 나 노 소재의 동향 및 웨어러블 디바이스의 동향을 살펴보고 이로써 투명 도전체용 유연 나노 소재의 웨어러블 디바이스에 적용 전망에 대해 고찰하고 자 한다.

2. 나노 입자 기반 유연 투명 전극 소재

나노 입자란 1차 입자 기준으로 직경 100 nm 이하의 크기를 가진 입자로 정의된다. 나노 입자 의 중요한 특성 중의 하나는 그 입자 크기가 작아 질수록 표면 원자수의 비율은 급격히 증가하고, 표면 특성이 중요하게 작용하여 기존의 소재와는 다른 특성이 나타난다. 그중 한 가지 현상이 물질 의 용융 온도가 낮아지는 현상이다. 금 나노 입자 의 경우 크기가 작아짐에 따라 용융 온도가 낮아 지고, 10 nm 이하의 크기에서는 용융 온도가 급격 하게 낮아지면서 약 2 nm 크기에서는 용융점이 300 K로 되는 것으로 보고되고 있다[1]. 이러한 현상은 나노 입자의 표면 원자의 불안정한 원자결 합 상태가 증가하는 것에 기인하는 것으로 알려져 있다. 입자 크기와 비표면적의 관계는 다음과 같 이 나타낼 수 있다.

D = 6 / ρ⋅d (1)

여기서, D, ρ 및 d는 각각 입자 크기, 비표면적 및 밀도를 나타낸다. 동일한 밀도에서 입자의 크

있어 불안정한 상태에 놓여있는 표면 원자가 증가 하게 되고 이러한 불안정한 상태의 증가는 용융온 도를 낮추는 동력으로 작용할 수 있다. 이러한 상 태는 아래 식으로 나타낼 수 있다.

D = exp (-Q/kT) (2)

여기서 D, Q, k 및 T는 각각 확산 계수, 활성화 에너지, Boltzmann 상수 및 온도를 나타낸다. 불 안정한 원자 결합 상태가 증가할수록 이것이 활성 화 에너지를 낮추는 동력으로 작용하고, 동일한 확산계수를 유지한다고 가정 시 용융 온도를 낮출 수 있다. 따라서 입자 크기가 감소하고 비표면적 이 증가할수록 물질의 용융 온도는 낮아지는 현상 이 일어나는 것으로 추정할 수 있다. 이러한 나노 입자의 물성은 프린팅 조건에 영향을 미칠 수 있 기 때문에 나노 입자의 제조하는 공정에 따라 결 정되는 결정상, 순도, 입도, 분포 및 분산 상태를 제어하는 것이 매우 중요하다. 따라서 투명전극용 나노 입자를 제조하는 국내외 업체에서는 나노 입 자의 제조 및 분산, 잉크 formulation 등 공정 조건 을 최적화하여 나노 입자 잉크를 제조하고 있다.

2.1. ULVAC Materials

일본의 ULVAC materials사에서는 가스 중 증 발법을 이용하여 ITO 나노 입자를 제조하고 있다.

Figure 2 (a)에 가스 중 증발법의 개요도를 나타내 고 있다[2]. 가스 중 증발법은 진공 중에서 증발된 원료 물질의 증기가 일정한 크기로 응집되는 클러 스터링이 발생, 초미세 나노 입자가 생성되고 이 들이 운반 기체에 의해 차가운 기판으로 이동하여 입자가 생성된다. 이때 기판 온도는 약 100 K 미 만으로 매우 낮고 이러한 차가운 기판에서 순간적 으로 포집되기 때문에 초미세급의 나노분말 입자 가 생성될 수 있다. Figure 2 (b)에 ULVAC에서 가스 중 증발법에 의한 나노 입자들을 제조하고 이를 분산시킨 용액 소재를 나타내고 있다[3].

ITO 나노입자가 양호하게 분산된 용액이 제조되 어 있다. 가스 중 증발법으로 합성한 나노 입자는 입도가 10 nm 미만으로 매우 미세하고 입자의 분 산도 매우 양호하다.

이와 같은 나노 입자의 분산성을 확보하기 위해 서 분산제와 같은 표면 첨가제를 사용한다. 이러 한 표면 첨가제가 응집을 방지하는 것은 입자 표 면의 이동을 억제함거나 입자 간 반발력을 일으킴 으로써 입자 간에 작용하는 인력을 최대한으로 억 제하는 것이다. 입자의 성장은 표면 이동에 필요 한 활성화 에너지의 함수인데, 표면 첨가제에 의 해 활성화 에너지를 높여줌으로써 입자 표면의 이 동을 억제한다. 또한, 일부의 표면 첨가제는 정전 기적 반발력을 일으키는 특성을 가지고 있다. 즉, 동일한 극성을 가지는 첨가제가 입자의 표면에 적 용되면 동일한 극성에 의해 반발력이 발생하고, 이러한 반발력이 초미세 급의 나노 입자 간에 작 용하는 인력을 일정한 거리를 유지하면서 균일한

분산 상태를 유지할 수 있는 것이다. 이와 같이 나 노 입자의 표면에 분산제와 같은 첨가제를 적용함 으로써 응집을 억제할 수 있는 것이다. 이러한 가 스 중 증발법을 이용하여 ULVAC에서는 Ag의 경 우 월 500 kg 정도의 양을 제조하고 있고, ITO에 대해서는 공개하고 있지 않고 있다. ULVAC에서 는 ITO 나노 입자를 적용하여 약 21 wt% 고형분 의 잉크 소재를 상용화하였고, 이를 이용하여 투 명 전극을 제작할 수 있다. 이러한 투명 전극의 특 성은 광 투과율은 550 nm에서 90% 이상, 면 저항 은 250 Ω/□으로 비교적 양호한 수준을 나타내고 있다[4]. 그러나, 아직까지 유연 투명 도전체에 적 용되었다는 보고는 없어 유연 투명 도전체로서의 가능성은 판단이 유보되고 있다.

2.2. Mitsubishi Materials

일본의 Mitsubishi Materials사에서는 ITO 입자 및 SnO2, ATO (Sb doped SnO2), PTO (P doped SnO2) 등 다양한 산화물 복합체 기반의 나노 입자 소재들을 개발, 다양한 분야에 적용할 수 있는 다 양한 수준의 나노 입자들을 상용화하고 있다. 이 들 입자의 형상은 대부분 구형으로, 주로 액상 분 산체용으로 제조된다. 또한, ITO 이외에는 대부분 SnO2 base로 구성되어 있는데 이는 가격 경쟁력을 갖기 위한 것으로 추정된다. ITO의 경우 1차 입자 의 크기가 25~35 nm로 다른 종류의 입자에 비해 약간 크고 광 투과율이 다른 종류보다 약간 낮으 나, 비저항의 경우 ITO가 10^-2~10⁰ Ω⋅cm으로 다른 종류의 분말보다 우수한 특성을 나타낸다[5].

또한, Mitsubishi Materials사에서는 이러한 도전 체 분말을 분산한 용액도 상용화하고 있다. 분산 액 내의 고형분 농도는 17~20 wt%로 ULVAC Materials사의 투명 도전체 잉크와 유사한 수준이 고, 입자의 분산성을 개선하여 투과율을 향상하였 다. ATO 나노 입자의 경우 Figure 3(a)와 같이 입 도는 약 10~15 nm로 매우 미세하고, 면 저항은 Figure 3(b)와 같이 10⁵ Ω/□ 이상의 수준으로 투 명 도전체에 적용하기엔 적절하지 않으나, Figure 3(c)와 같이 장파장 투과율이 낮아 에너지 절감 창

(a) 가스 중 증발법 개요

(b) 가스 중 증발법에 의해 제조된 ITO 나노 입자 잉크

*출처 : https://www.ulvac.co.jp/products_e/materials/nano-metal- ink/ ito-series.

Figure 2. ULVAC materials사의 투명전극용 나노 입자 제조.

호막에 적용 시 적합할 것으로 보인다.

이와 같이 Mitsubishi Materials사에서는 산화물 을 기반으로 한 코팅액을 대전 및 정전 방지재, 전 하 조정제 및 자외선/근적외선 차단제 등 다양한 분야에 적용하고 있다. 이들 무기물 기반 소재는 투명성, 분산성과 함께 환경 의존성이 낮고 내구 성이 높은 장점을 가지고 있다. 특히 ITO 분말 제 품의 경우 Figure 4와 같이 열선 차단 재료로 적용 할 수 있다. ITO 나노 입자는 태양광에 의해 실내 가 더워지는 원인인 근적외선을 흡수하는 열선 차 단 특성을 가지고 있다. ITO의 특성인 높은 가시 광 투과성과 함께 ITO의 반영구적 내구성을 가지 고 있어 제품화에 매우 유리한 장점을 가지고 있 다. 또한 ITO는 산화물의 특성상 전파를 흡수하지 않고 투과시킬 수 있어, Low-E glass 및 반사형 필 름 등 전자파가 발생하는 휴대전자기기 등의 통신 장애가 없는 장점이 있다. 이러한 특성으로 창호

의 투명 열차단 필름, 열차단 유리 및 투명 플라스 틱 성형판 등에 적용될 수 있고, PET에 코팅한 막 의 가시광 투과율은 기재 포함 80%, Haze는 1.6%

수준이다. 또한, 기존 제품 대비 열 차단율을 약 3% 향상하여 에너지 절감 및 CO2 발생을 감소하 는데 기여할 수 있다.

2.3. Tohoku University

일본의 Tohoku University에서는 Gel-Sol 법을 이용하여 ITO 나노 입자를 제조하는 방법을 개발, 기업과 함께 사업화를 진행하고 있는 것으로 알려 지고 있다. Gel-Sol 법은 나노급의 Gel 망을 제작 하고 그 망 안에서 입자를 석출하여 입자가 망 안 에서 성장이 완료되면 망을 제거함으로써 나노 입 자를 제조하는 방법이다. Gel-Sol 법으로 Figure 5 와 같이 20~30 nm 크기의 나노 입자를 제조할 수 있고, Gel 망의 형상을 제어함으로써 입방체 등 다양한 형상의 나노 입자를 제조할 수 있다[6].

Gel-Sol 법으로 제조한 ITO 나노 입자는 (200) 우 선 방위의 결정상을 가지고 있어 일반적인 (222) 우선 방위의 ITO 결정상과는 차이가 있고 비저항 은 8.4 × 10^-2 Ω⋅cm으로 비교적 높은 저항값을 나타내고 있다.

(a) 나노 입자의 입도 및 분포

(b) 도전체 막의 전기/광학적 특성

(c) 도전체 막의 장파장 투광 특성

*출처 : 일본 Mitsubishi Materials Catalogue, 2016.

Figure 3. ATO 나노 입자 코팅 막의 물성 및 특성.

*출처 : 일본 Mitsubishi Materials Catalogue, 2016.

Figure 4. ITO 기반 열선 차단 재료의 특성.

2.4. 전자부품연구원

전자부품연구원에서는 저온 합성법 및 석출법 을 이용하여 ITO 나노 입자를 제조한다. 저온 합 성법은 기존의 습식 공정에서 사용되는 Cl^- 및 NO3- 성분을 제거하여 후처리 온도를 기존의 50%

이하로 낮춘 합성 기술이다. 특히 유해 성분을 사 용하지 않으므로 폐수가 발생하지 않고 공정 단계 도 기존보다 감소된 장점을 가지고 있다. Figure 6 에 저온 합성법을 적용하여 제조한 ITO 나노 분말 입자를 나타내고 있다[7]. ITO 나노 입자 합성에 저온 합성법을 적용하면 600 ℃에서 300 ℃로 낮 출 수 있고, 이로써 기존보다 작은 10 nm 이하의 초미세 나노 입자를 제조할 수 있다.

열처리 온도에 따른 ITO 입자의 비표면적은 기 존 공정온도인 600 ℃로 제조한 경우 25 m²/g을 나타내는 반면 온도를 낮추어 300 ℃로 제조한 경 우 100 m²/g 이상으로, 이를 입도로 환산할 경우 평균 5 nm 크기의 초미세급 나노 입자를 얻을 수 있다. 또한, 저온 합성법으로 제조된 ITO 나노 입 자는 (222) 우선 방위의 입방정 구조이고, 입자를 분산하여 제조한 잉크의 특성은 600 ℃ 열처리 시

면저항이 약 102 Ω/□ 수준으로 매우 양호한 특 성을 가짐을 알 수 있다. 또한 투과율도 양호하고, 전사 방식으로 유연 기판 상에 제조 시 유연 투명 도전체로서 활용이 가능하다.

3. 나노선 기반 유연 투명 도전 소재

이와 같이 ITO 잉크 등 용액기반의 소재를 적용 할 경우 면저항 등 전기적 특성이 기존 스퍼터링 방법보다는 저하되는 것을 알 수 있고, 이에 따라 저항 특성 개선을 위해 은 나노선(Ag NWs)를 도입 하여 투명 전극을 제작하는 연구가 활발히 전개되 고 있다[8]. Ag NWs는 폭은 약 20~40 nm, 길이는 수~수십 µm 형태의 와이어가 용액 중에 분산되어 있는 소재로서 미국의 Cambrios 및 한국의 중소 업 체들에서 상용화, 판매하고 있다. Ag NWs는 높은 종횡비로 인해 0.5 wt% 이하의 낮은 농도에서도 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 또한, Ag 소 재의 유연한 특성으로 플라스틱 기반의 유연 기판 에 적용 및 특성 개선이 가능하다. Ag NWs 투명전 극은 국내외 여러 기업 및 기관, 학교 등에서 활발 하게 기술 개발이 전개되고 있는데, Ag NWs의 약 점은 내열성이 약한 것이다. 즉, 200 ℃ 이상의 고 온에서는 Ag NWs가 녹으면서 와이어 고유의 특성 을 잃게 된다. 이를 개선하기 위해 산화물을 이용하 여 코팅을 하는 등 다양한 방법으로 Ag NWs의 개 선을 위한 연구를 전개하고 있다[9].

전자부품연구원에서는 ITO 잉크(ITO-inks)를 Ag NWs와 하이브리드 구조로 투명전극을 제작,

*출처 : (Japanese domestic) 10th Annual Meeting of Society of Nano Science and Technology Abstract Book, p.

67 (2012).

Figure 5. Gel-Sol 법으로 제조된 ITO 나노 입자.

*출처 : IEEE Trans. Nanotechnol., 7, 172-176 (2008).

Figure 6. 저온합성법으로 제조된 ITO 나노 입자.

이러한 문제를 개선하였다. Ag NWs 층이 ITO 나 노 입자 층 위 또는 아래에 위치한 2층 구조 및 ITO 나노 입자 층이 Ag NWs 층 위-아래로 위치 한 3층 구조이다. 이러한 구조를 사용 시 Figure 7 과 같이 Ag NWs 1층을 사용하여 발생하는 열적 인 취약성을 개선할 수 있다[10].

또한, 이러한 구조는 PET 필름 등 플라스틱 기 반의 플렉서블 기판에도 적용이 가능하다. 전자부 품연구원에서 이러한 하이브리드 구조를 PET 기 판 위에 적용한 경우 Figure 8과 같이 매우 유연한 투명전극 기판이 형성되었다. 면 저항 특성은 약 23 Ω/□, 광투과율은 550 nm에서 약 87%의 양호 한 특성을 나타내었고, Figure 9와 같이 100~130

℃에서의 시효 및 휨 시험에서도 안정된 특성을 나타내었다[11]. 앞으로도 이러한 플렉서블 및 웨 어러블 기반의 투명전극이 요구될 것으로 예상되 고, 이러한 기술 개발은 계속 전개되고 있다.

이와 같이 Ag NWs는 열에 매우 취약하여 이를 극복하기 위한 방안으로 ITO 나노 입자 외에도 소 재를 Ag 대신 니켈(Ni)로 사용하여 나노선을 제조

하는 기술을 개발하고 있다[12]. 이러한 Ni NWs 는 일본의 Unitika사에서 개발하고 있는데, 투과율 이 90%일 경우 면 저항은 약 ~10³ Ω/□ 수준으 로 Ag NWs보다는 높은 수준이나, 분산성 및 선 폭, 형상 등 물성을 최적화하여 면 저항을 낮출 경 우 Ag NWs와 함께 유연 투명 전극에 적용이 가 능할 것으로 보인다.

*출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 14, 9504-9509 (2014).

Figure 7. ITO 잉크층에 의한 Ag NWs 투명전극의 열적 취 약성 개선.

*출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 15, 7997-8003 (2015).

Figure 8. ITO-NPs/Ag NWs 하이브리드 구조의 투명전극 유연 기판(PET 필름 적용).

(a) 열 시효 특성

(b) 휨 특성

*출처 : J. Nanosci. Nanotechnol., 15, 7997-8003 (2015).

Figure 9. ITO-NPs/Ag NWs 투명전극 PET 기판의 특성.

4. 웨어러블 디바이스의 동향 및 투명전극 응용 전망

일본의 Ushino사에서는 Printable Electronics 재 료를 이용하여 Organic transistor, Sensor 및 Bio Device 등 다양한 분야에 적용될 수 있도록 Printable Patterning 방식의 VUV-aligner를 개시하 였다. Printable Patterning 공정은 기존 Patterning과 는 달리 감광제를 코팅 및 부분적인 친수화 노광에 의한 발수막 제거(SAM 막 제거)로 현상, 엣칭, 감 광제 제거 공정을 단축하고 그 위에 잉크를 도포하 여 패터닝하는 공정이다. 이러한 공정을 이용하여 감광제를 막 두께 260 nm로 코팅, 길이 및 선폭이 각각 5 µm 및 5 µm인 패턴을 구현할 수 있고, 공 정 단계를 저감함으로써 제조 단가 감소 및 저온 처리가가 가능하며, 대기하에서도 사용이 가능하 다는 장점이 있다. 그러나 이전의 인쇄 전자와 같 이 이 공정도 금속 등 기능성 막을 형성하기 위해 도전성 잉크 등을 사용하고, 이로부터 기존 인쇄 전자가 한계를 나타낸 진공 증착 박막과의 성능 차 이를 극복하는 것이 매우 중요한 과제일 것으로 보 인다. ITO 투명 전극의 경우에도 스퍼터링에 의한 박막의 특성이 잉크를 이용한 박막보다 양호하기 때문에 이러한 VUV-aligner 공정을 이용한다고 하 더라도 그러한 소재 측면에서 그러한 한계를 어떻 게 극복할지 숙제가 남아 있다고 할 수 있다.

다만 이러한 잉크 기반의 Printable Patterning 공정은 기존의 스퍼터링 박막이 가지고 있는 한계 인 플렉서블 및 웨어러블 디바이스에 적용하는 측

면에서 한층 발전한 것이라 할 수 있다. 특히 단순 패턴의 경우 미세 패터닝이 가능하기 때문에 생산 성 측면에선 인쇄 전자보다 우수한 점이라 할 수 있다. Figure 10과 같이 Ushino사에서는 이러한 기술을 이용하여 플렉서블/웨어러블 기판에 패턴 을 형성하고, 이를 피부에 부착함으로써 인체 부착 형 전자까지 가능하게 할 수 있는 기반을 마련한 것 으로 파악되었다. 응용 분야로는 Organic Transistor, Flexible Sensor 및 Bio Device 등을 제시하고 있다.

이러한 응용을 가능하게 하기 위해선 우선 인체 유해성을 없애고, 피부 밀착에 의한 주름 등 기판 이 구부러지더라도 양호한 밀착력을 유지해야 하 며, 유연성이 좋아서 어느 굴곡에서든지 변형이 일어나지 말아야 하고, 외부 환경에 대한 안정성 및 신뢰성이 확보되어야 하는 숙제가 남아 있다.

일본의 Yamagata Univ.의 유기일렉트로닉스연 구센터에서는 건강에 안심 안전한 사회 생활을 지 속하기 위해 언제 어디서라도 간단히 신체의 상태 를 계측할 수 있는 유기 트랜지스터를 활용한 바 이오 센서의 개발을 진행하고 있다. Figure 11과 같이 땀, 침, 혈액 등 검출 대상을 바이오 센서(스 트레스 검출), 환경 센서(집 먼지 등 검출), RF-ID Tag (물류의 감시), 균형 센서(진동 감지), 선도 센 서(안전한 식료품) 등을 가정에 장착하여 사람의 건강 등 여러 가지 상태를 모니터링하는 것이다.

이러한 기술을 적용 시 간단하게 복수의 이종 marker를 동시에 검출하고, 인쇄형 유기트랜지스 터를 활용함으로써 얇고 플렉서블한 센서를 자연 스럽게 장착이 가능하다. 유기 FET 바이오 센서를 개발한 예는 연장 게이트 유기 FET를 이용하여

*출처 : 일본 Ushino Inc. catalogue, 2016.

Figure 10. Printable Patterning의 적용 분야 제안(일본 Ushino사).

산 이온 및 비표식 IgA를 검출, 인쇄 듀얼게이트 유기 FET의 바이오 센서 응용 등이다. 인쇄형 유 기 Field Effect Transistor (P-OFET) 디바이스는 정신 스트레스를 측정하고 질병을 조기 진단할 수 있는 웨어러블 센서에 적용할 수 있다. 따라서, 이 를 적용하여 향후 센서 디바이스를 헬스케어에 응 용하기 위한 연구를 계속하고 있다. 즉, 사람의 분 비물로부터의 검출 실증 시험, 異種 marker의 동 시 검출 및 유기 RF-ID 기능과 합친 새로운 센서 디바이스의 개발 등을 계속 수행하고 있다.

또한, 본 랩에서는 인쇄형 유기 TFT의 회로 집 적화 기술을 개발하고 있다. 즉, 사람 및 물건의 표면에 장착이 가능한 인쇄 방법으로 제작이 가능 한 플렉서블 유기 RF-ID 시스템을 개발하여 생체 센서의 감지 정보를 무선통신으로 인터넷에 접속 하여 빅데이터의 활용을 가능하게 할 수 있다.

TFT의 source-drain의 전극 간격(channel 길이)은 1~10 µm의 고정밀도 인쇄가 가능하고, Si-LSI와 유기집적회로의 hybrid형을 의류에 장착하거나 스 마트 유기 chip을 신체에 부착할 수 있다. 새로 개 발된 미세 프린팅 기술을 적용하여, Figure 12와 같이 고 기능성 유기 RF-ID 디바이스를 플렉서블 기판 위에 제작, 데모까지 한 것으로 알려져 있다.

이러한 플렉서블 디바이스를 적용하여 집적 센서 를 불규칙하고 울퉁불퉁한 표면의 인체 또는 사물 에 장착한 유기 스마트 시스템을 구현할 수 있다.

본 랩에서는 이러한 시스템을 헬스케어 관리 서비 스 및 상하기 쉬운 식료품의 추적에 적용하는 것 을 추진하고 있다. 이를 위해 전 공정을 인쇄로 제 작한 유기 TFT의 고이동도화, 단채널화에 의한 회 로의 고성능화와 고집적화를 그려 센서와 RF-ID 회로를 일체화한 스마트 유기 chip의 개발을 진행 하고, 의료, 헬스케어, 식품 관리 분야 등에 사회 실현을 목표로 하고 있는 것으로 알려져 있다. 따 라서 이러한 분야에 나노 소재를 적용한 투명 도 전체 등을 개발 및 적용하여 이보다 성능을 더 향 상할 수 있을 것으로 보인다.

일본의 산업계에서는 이러한 웨어러블 디바이 스 기술을 이용하여 상용화를 추진하고 있다. 섬 유전문기업인 일본의 직물 전문 회사인 Gunze사 에서는 기존에 보유하고 있는 봉제 및 편조직 기 술에 다양한 웨어러블 전자 회로의 디자인 및 제 조 기술을 접목한 웨어러블 기술로 다양한 기능의 웨어들을 개발하고 있다. Gunze사에서 보유하고 있는 기술로 디자인성, 쾌적성, 추종성, 속건성, 신 축성, 통기성, 흡습성, 탄력성, 스트렛치성, 전기전 도성 등 의복에 필요한 특성을 가지면서 인간과 장치 간의 인터페이스의 다양한 기능을 구현할 수 있는 웨어를 개발하고 있다. Gunze사는 보유하고 있는 기술을 조합하여, 웨어러블에 요구되는 히트 와의 인터페이스로서의 다양한 기능을 구현하고, 웨어러블용 소재 및 제품, 그리고 이를 이용한 서 비스 등을 지속적으로 개발, 가치를 창출하고 있 다. 예를 들면, 바이탈 데이타 취득용 웨어, 의료형 웨어러블 시스템, 가축 냉감 시스템, 도전성 니트

*출처 : 일본 Yamagata University catalogue, 2016.

Figure 11. 유기 트랜지스터를 활용한 플렉서블 바이오 센 서의 적용(Yamgata Univ. 유기일렉트로닉스연구센터).

*출처 : 일본 Yamagata University catalogue, 2016.

Figure 12. 인쇄형 유기 TFT의 회로 집적화 및 응용 디바이 스 기술(Yamgata Univ. 유기일렉트로닉스연구센터).

선재, 발열 니트, 터치 센서 등이 있다. Gunze사에 서는 기존의 웨어를 사용하여 일반적인 섬유로부 터 금속 섬유까지 Gunze가 보유한 편직 및 다양한 요구에 대응하여 폭넓은 소재의 선택이 가능한 노 하우로 니트화가 가능하다. 또한, 편직 조직의 자 유도가 높아서, 디자인 표현이 다양하고, 니트 기 술 기반의 통기성, 신축성, 유연성 등의 기능성 재 료 설계 및 제조를 자유로이 할 수 있다. 특히, Gunze 자체의 일관 생산 라인, 즉 재료의 가공, 편 직, 이차가공(염색, 부가가치가공 등), 봉제와 웨어 의 제조 라인을 일관적으로 소유하고 있어 거의 모든 요구 사항을 신속히 대응할 수 있는 것으로 알려지고 있다. 구체적인 기술로는 쾌적한 웨어 설계 및 제조 기술을 들 수 있다. 이를 위해 쾌적 한 설계를 생산하는 전문 부분 및 생리학적 견지 에 기초한 웨어와 신체의 기초 연구를 근간으로 하는 전문 평가 부분을 상설한 것으로 알려지고 있다. 이러한 데이터 축적과 이론을 융합하여 다 양한 요구에 적합한 의류 패턴의 자체 작성이 가 능하다. 쾌적성의 경우 기대치 및 마음의 준비 등 안정적인 감정을 의복 내의 온⋅습도 및 착압 등 수치로서 정량화하였고, 실제 착용 상태 및 쾌적

성을 Thermography 및 3D scan 등 다양한 측정기 로써 가시화하고 있다.

또한, Gunze에서는 의류 내에 회로를 설계하고, 전기 배선을 제조하는 기능성 웨어러블 기술을 개 발하고 있다. Figure 13에 웨어러블 시스템의 이미 지를 나타내고 있다. 그림과 같이 웨어러블의 전 기 배선을 통해 생체 전기신호의 검출 및 낮은 접 촉 저항의 실현과 안정성을 개발하고 있다. 또한, 터치 패널 제조 공정을 이용하여 스크린 프린팅으 로 신축 가능한 전기 배선도 형성이 가능하여 이 를 개발 중인 것으로 알려져 있다. 워에러블 시스 템은 일본전기주식회사(NEC)와의 기술협력하면 서 개발 중인 것으로 알려지고 있는데, 심박수 등 바이탈 데이터를 체크할 수 있는 웨어 시스템 및 기능성 웨어와 클라우딩 서비스를 이용하여 서비 스 프로그램을 고객에 제공하는 기술을 개발하고 있다. 이러한 기술의 특징 및 장점으로는 소비 칼 로리, 심박 등 생체 정보를 계측할 수 있고, 인체에 의 추종성이 높은 니트 소재에 구성된 장세 센서를 사용하며, 웨어는 장시간 착용이 가능한 통기성이 있고 세탁도 가능하고, 계측 통신 디바이스(웨어에 장착) 유연한 케이스로 보호할 수 있다는 것이다.

*출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016.

Figure 13. 웨어러블 시스템 이미지(일본 Gunze사).

*출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016.

Figure 14. 바이탈 데이터 취득용 웨어 및 사용 예(일본 Gunze사).

이러한 웨어 기술은 스포츠 클럽의 서비스 프로그 램 및 종업원 관리 프로그램 등에 적용하는 것을 검토하고 있는 것으로 알려지고 있다.

이와 함께 Gunze사에서는 Figure 14와 같이 쾌 적성과 기능성을 겸비한 바이탈 데이터 취득용 웨 어를 개발하고 있다. 이러한 바이탈 데이터 취득 웨어는 착용감이 양호한 쾌적 웨어를 설계하여 부 분 착압 및 쾌적 소재로 장시간의 착용이 편하고, 쉬운 착의 및 탈의를 설계함으로써 일상 착용이 용이하며, 용도에 대응한 착압을 설계하여 메디컬 스타킹, 컴프레션 웨어 등에 배로 착압기술에 착 압부분 및 착압 강도를 제어할 수 있는 장점이 있 다. 또한, 배선에 의한 디바이스 배터리 및 전극을 자유롭게 배치하여 자유로운 설계가 가능하고, 유 연한 발열이 가능하여, 디바이스의 장착으로 심박 수, 심전도, 체온 등의 바이탈 데이터의 취득이 가 능한 스포츠 트레이닝, 일상의 헬스 웨어 등에 적 용이 가능한 것으로 알려지고 있다.

Gunze사에서는 Figure 15와 같이 발열 니트도 개발하고 있는데, 이는 편직 기술로 종이 위에 회 로를 형성하여 외부전원에 의해 특성 부위를 발열 할 수 있는 니트 구조물이고, 이와 같이 생지에 직 접 회로 배선을 편성함으로써 착용감을 해치지 않 는 특징이 있다. 또한, 낮은 저항을 가진 배선의

길이 및 크기를 변화시켜 저항을 제어함으로써 발 열을 구현, 발열부의 위치를 자유로이 설정이 가 능하고, 발열 양말, 발열 타이즈 등 국부적으로 발 열하는 다양한 제품에 구현이 가능한 것으로 알려 지고 있다.

또한, 웨어러블 회로 배선을 위해 금속 세선, 금 속 도금 시스템 등의 도전성 섬유를 편집한 유연 신축성이 있는 도전성 니트 선재를 개발하고 있다 (Figure 16). 이는 금속 도금 방식으로 유연성 및 통기성이 우수하고, 신축에 의한 저항변화 특성의 설계가 가능하다. 또한, 에나멜 Cu 선 type도 있는 데, 금속 도금 type과 비교하여 저항이 낮고, 표면 이 절연되어 있어, 내열성 섬유와 에나멜 선의 복 합화에 의한 접합이 가능하다. 실제 배선 길이는 니트 배선 길이의 약 5~6배 정도이다. 이와 같은 도전성 니트 선재는 각종 도전성 니트의 재료 선 택 편직 방법 특성을 설계하고, 액정표시용 12C 통신, LED 점등 제어 등 유연한 신호선 제작이 가 능하며, 직경 30 µm, 7가닥의 에나멜 선, 4코스에 형성한 경우 배선의 저항이 5 ohm/cm로 저항이 낮은 장점을 가지고 있다.

또한, Gunze사에서는 Figure 17과 같이 곡면 및 옷감에 정전용량 터치 센서, 즉, 3차원 형상의 수 지 및 유연성 니트 소재를 이용한 정전용량형 터

*출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016.

Figure 15. 발열 니트(일본 Gunze사).

*출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016.

Figure 16. 도전성 니트(일본 Gunze사).

치 센서를 개발하고 있다. 이러한 센서의 특징은 곡면 및 유연한 터치 센서를 구현함으로써 자유도 가 높은 디자인이 가능하고, 3차원 형상의 플라스 틱에 전극을 형성하고, 그 후 레이져 조사 및 도금 공정으로 복잡한 곡면에도 검지 전극 형성이 가능 하다. 또한, 도전성 섬유의 니트 배선과 전극을 형 성함으로써 도전성 섬유의 배선형상 편직으로 유 연한 도전 패턴의 형성이 가능하다. 이러한 터치 센서는 반구 입력 디바이스, 멀티 터치 XY 좌표 검출(4점 터치 위치를 좌표검출 운전석의 제어로 조작) 및 옷감 피아노(건반 패턴을 터치 검출하여 스마트 폰에 음성 발신) 등에 응용하는 것을 검토 하고 있으며 소비자의 기호에 맞게 고객 맞춤형 상 용화를 가능하게 하는 연구도 병행하고 있다.

이상과 같은 응용 분야에서 투명전극을 이용하 여 색감 등 감성을 살리면서 기능성을 보강할 수 있는 웨어러블 일렉트로닉스를 구현 시 소비자의 기호에 맞는 웨어를 구현할 수 있는 가능성을 알 수 있고, 특히 투명 전극용 나노 소재를 적용함으 로써 기존 응용 기술들이 나타낼 수 있는 약점들, 즉 산화, 부식, 열화 등을 예방하여 내구성이 우수 한 제품 구현도 가능할 것으로 보인다.

5. 결 언

본고에서는 기존의 ITO 박막을 대체하여 유연 한 특성을 나타낼 수 있는 투명 도전체용 나노 소 재의 동향 및 웨어러블 디바이스의 동향을 살펴보 고 이로써 투명 도전체용 유연 나노 소재의 웨어 러블 디바이스에 적용 전망에 대해 고찰하였다. 투 명 도전체는 앞으로도 정보 디스플레이, 태양전지,

LED, 터치 패널, 전자파 차폐 등 향후에도 다양한 분야에 적용되면서 지속적으로 관련 시장이 성장 할 것으로 보인다. 또한, 유연 특성을 갖춘 투명 도 전용 나노 소재는 앞서 살펴본 웨어러블 디바이스 에도 적용이 가능할 것으로 보인다. 비록 당분간은 ITO 증착 소재가 주류를 이룰 것으로 보이지만, 웨어러블에 적용 시 필요한 유연성의 한계를 나타 내고 있어 이를 대체할 나노 소재들, 특히 그 가운 데 Ag NWs 관련 시장이 많이 성장할 것으로 전망 된다. 세계적인 시장조사기관인 Nanomarkets에서 는 Figure 18과 같이 Ag NWs 소재가 2022년에는 약 10억 불의 규모로 성장할 것으로 전망하고 있 다[13]. 또한, 웨어러블 시장은 2015년에 46조 이 상의 규모를 형성하고, 향후 10년 내 133조 이상 의 규모를 형성할 것으로 전망되고 있다[14]. 그러 나, 디바이스에 적용 및 ITO 증착소재를 넘어 상 용화에 성공하기 위해선 Ag NWs의 약점을 보완 할 수 있는 연구가 지속적으로 전개되어야 한다.

또한, 이들이 향후 전개될 웨어러블 디바이스 시 장에서 성공적으로 상용화될 수 있도록 많은 기술 개발 및 상용화 노력이 필요할 것으로 보인다.

*출처 : 일본 Gunze Ltd. catalogue, 2016.

Figure 17. 정전용량 터치 센서(일본 Gunze사).

*출처 : NanoMarkets Report, 2015.

Figure 18. 투명 도전체용 Ag NWs 시장 전망[13].

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홍 성 제

2005~2006 Tohoku University 지능디바이스재료학 공학박사

현재 전자부품연구원 디스플레이 소재부품연구센터 수석연구원

한 정 인

1985~1988 한국과학기술원 재료공학과 공학박사

1989~1992 삼성전자주식회사 반도체연구소 및 TFT-:LCD Division 1992~2010 전자부품연구원 디스플레이

연구센터 센터장/수석연구원 2003~2004 MIT MTL Visiting Scientist 2004~2007 (주)한솔케미칼 사외이사 2010~2013 SPMC 대표이사

2010~현재 동국대학교 화공생물공학과 교수

2016~현재 한국과학기술연구원 방문연구원