플렉서블 디스플레이용 투명전극 제조를 위한 ITO 대체소재 연구동향

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플렉서블 디스플레이용 투명전극 제조를 위한 ITO 대체소재 연구동향

글 _ 김선옥, 최수빈, 김종웅 전북대학교 신소재공학부 정보소재공학전공 디스플레이

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Abstract

As the flexible displays have been considered as a breakthrough to make a new electronics category, transparent electrodes have also confronted with an emerging issue, i.e., they also need to be mechanically flexible. For this to be made possible, a transparent electrode capable of withstanding large amounts of strain must be developed.

Indium tin oxide (ITO) has been one of the most widely adopted transparent electrodes for displays and other transparent electronics, mainly supported by its high electrical conductivity and optical transparency. However, its brittle nature has forced the display industry to search for other alternatives. Recently, advances in nano-material researches have opened the door for various transparent conductive materials, which include carbon nanotube, graphene, Ag and Cu nanowire, and printable metal grids. Here we reviewed recently-published research works introducing flexible displays, all of which are employing the novel candidates for a conducting material.

Keywords: Flexible display, Transparent electrode, Indium tin oxide

1. 서론

기계적 유연성을 갖춘 디스플레이를 뜻하는 플렉서블 디스플레이(Flexible display)가 디스플레이 업계의 새로 운 화두가 되면서 관련 소재 및 부품 연구가 크게 주목받 고 있다. 물론 아직까지 이렇다 할 제품이 시장이 출시되 지는 못하고 있지만 폴더블 디스플레이 또는 롤러블 디스 플레이를 탑재한 디바이스 출시가 초읽기에 들어갔다는 소식이 들리면서 올해 말 또는 내년 중에는 반드시 출시 될 것이라는 의견이 지배적이다. 실제로 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 LG 디스플레이, 삼성 디스플레이 등 국내업체 뿐만 아니라 중국의 BOE, ROYOLE 등 해외 업체에서도

Fig. 1. Various flexible displays shown in electronic shows: (a)

large flexible OLED panel exhibited by LG Display, (b) mo-

bile flexible panel exhibited by Samsung Display, (c) mobile

curved display exhibited by BOE, (d) flexible display ex-

hibited by ROYOLE.

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다양한 형태의 플렉서블 디스플레이 시제품을 각종 전시 회에 출품하고 있다. 물론 현재의 시장에도 플렉서블 디 스플레이 및 플렉서블 터치센서라는 이름을 붙이고 각종 제품에 적용된 것들이 있는데, 이들은 모두 유연한 고분 자 소재를 기판으로 사용한 것으로, 패널 및 터치센서 자 체는 유연성을 가지고 있지만 적용된 제품의 형태는 그렇 지 못한 것이 특징이다. 즉, 기판을 유연한 소재로 바꾸 었으므로 기계적 유연성은 가지고 있지만, 그러한 특성을 제품으로 구현하기 위해 필요한 장기 신뢰성 등은 아직 요구수준에 미치지 못하고 있는 것이다.

디스플레이 및 터치센서 제조에 반드시 필요한 투명전 극 소재 또한 그러한 문제를 안고 있다. 현재까지 이들 소 자에 적용된 투명전극 물질은 거의 대부분 인듐주석산화 물 (Indium tin oxide: ITO)이었다. ITO는 인듐산화물 에 주석산화물을 첨가하여 전도성을 향상시킨 물질로, 유 리 기판에 스퍼터링하여 증착한 ITO를 결정화 처리할 경 우 90% 이상의 가시광 투과율과 10 Ω/cm

²

대의 면저항 을 동시에 나타낼 정도로 우수한 전기전도도와 광투과율 을 보여준다.

^1-5)

디바이스 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나가는 경로에 있는 전극은 높은 전기전도도와 더불 어 우수한 광투과율을 가져야 하므로, ITO는 LCD (Liquid crystal display), OLED (Organic light emitting diode) 및 터치센서 등 디스플레이 소자 대부분 에 사용되어 왔다. 그러나 ITO는 산화물 특유의 기계적 취성을 가지고 있어, 기계적 유연성을 대표적 특성으로 하는 플렉서블 디스플레이에는 적합하지 않다고 알려져 왔다. 최근 비정질 ITO를 비롯하여 유연성을 대폭 향상 시킨 ITO가 보고된 바 있으나, 궁극적으로는 유연성을 갖춘 대체소재 개발이 필요할 것이라는 전제 하에 다양한 소재가 연구되고 있다.

유연한 투명전극용 물질로 널리 연구되고 있는 소재로 는 금속 Mesh(Metal mesh), 은 나노와이어(Ag nanowire), 그래핀 등 탄소기반 소재 및 전도성 고분자 등을 들 수 있다. 물론 최근 복합 구조의 Composite 또 는 하이드로겔(Hydrogel)을 이용한 초 고신축 투명전극 등 새로운 아이디어가 지속적으로 보고되고 있으나, 기업 에서 제품 개발에 적용해볼 수 있을 정도로 기술 수준이

성숙한 소재로만 추리면 대략 이와 같다. 금속 Mesh는 금속 박막을 Mesh와 같은 그물망 형태로 패터닝하여, 전 체 전극 면적 중 금속이 차지하는 비율을 2-3% 정도가 되게 설계하여 광학적으로 투명하게 만든 것이다. 따라서 이론적으로 금속에 의한 투과율 저하는 2-3% 정도 밖에 되지 않지만, 전도도가 매우 높은 금속이 끊김 없이 전체 기판에서 Network를 형성하고 있으므로 전기전도도 또 한 탁월하다는 특징이 있다. 일반적으로 전기전도도와 광 투과율은 Trade-off 관계에 있음을 감안할 때, 금속 Mesh는 그 두 가지 특성을 높은 수준에서 양립 시킬 수 있는 유일한 소재로 각광받고 있다. 그러나 금속 Mesh는 금속 선들 사이의 절연층 면적이 넓어 균일한 Carrier 전 달 특성을 요구하는 디바이스용 전극으로는 적합하지 않 다는 지적이 있으며, 특정 금속의 경우 광 반사율이 높아 터치센서 적용 시 시인성 문제가 발생하기도 한다. 최근 이를 해결하기 위한 하이브리드 구조 및 흑화 (Blackening) 공법 등이 개발되어 금속 Mesh 소재의 상 용화 빈도를 높이고 있다.

은 나노와이어는 직경이 대략 50 nm 이하이고 종횡비

가 100 이상인 은 입자를 지칭한다. 만일 금속이 구형 입

자로 존재할 경우 이들을 이용하여 전도성 박막을 형성하

고자 한다면 입자간 접촉이 넓은 범위에 걸쳐서 균일하게

형성되어야 하므로 고밀도 적층은 필연적이다. 그러나 은

나노와이어는 특유의 종횡비로 인해 매우 낮은 농도에서

Percolation이 일어나므로 금속 Mesh와 동일한 원리로

고전도도 및 고투과도를 동시에 보여준다. 최근 미국

Cambrios사에서 판매 중인 은 나노와이어 분산액의 경

우 직경이 20 nm 급인 제품도 있는데, 이들은 은 나노와

이어 기반 투명전극의 단점인 헤이즈(Haziness)를 낮추

기 위한 것이다. 은 나노와이어 기반 전극은 미세한 금속

와이어가 촘촘하게 그물망을 형성하여 구현되므로, 반사

율 높은 와이어 표면에서 산란된 빛이 높은 헤이즈 값으

로 측정된다. 직경이 작은 와이어를 이용하는 경우 더 낮

은 밀도에서도 높은 전도도가 구현되므로 산란에 의한 헤

이즈 문제가 일부 해결 가능하게 된다. 그 밖에, 나노와

이어 전극은 표면이 거칠다는 문제가 있는데, 최근 여러

논문에서 이를 해결하기 위한 기술이 제시되었으므로 다

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음 장에서 다루기로 한다.

그래핀 등 탄소기반 소재는 우수한 물리적 특성을 바탕 으로 다양한 적용 사례가 보고되고 있으나, 금속기반 소 재에 비해 낮은 전도도가 취약점으로 지적되며, 전도성 고분자 또한 투과율 대비 낮은 전도도 및 특정 파장대의 흡광 등의 문제로 인해 상용화가 지연되고 있는 실정이 다. 본 논문에서는 이러한 소재를 디스플레이 관련 소자 제작에 적용한 사례들 중 주목할 만한 것들을 소개하고자 한다.

2. 본론

2.1 플렉서블 디스플레이용 투명전극의 요구 특성

플렉서블 디스플레이 구현을 위한 가장 적합한 발광 디 바이스로는 통상 OLED가 손꼽힌다. OLED는 전극을 제 외한 모든 구성 물질이 대체로 유연한 유기소재이고, 박 막 증착 공법으로 제조되므로 액상을 Sealing할 필요가 없어서 고분자 기판을 사용하기에 용이하다. LCD 또한 고분자 기판을 사용할 수는 있지만 Bending 인가 시 액 정의 누수가 발생할 우려가 있어서 플렉서블 디스플레이 의 형태로 제작하기 어려운 측면이 있다. 퀀텀닷을 발광 물질로 활용한 소자 역시 OLED와 유사한 구조로 제작되 므로 플렉서블 디스플레이 구현에 적합할 것으로 판단된 다. 디스플레이 구동을 위한 Backplane에도 투명전극이 사용될 수 있으며, 디스플레이 관련 부품으로 분류되는 터치센서는 전적으로 투명전극을 이용하여 제작되므로, 크게 보면 발광소자, Backplane 및 터치센서에 투명전 극이 사용된다고 볼 수 있다.

OLED 소자의 경우를 먼저 살펴보면, 디바이스 중심부 에서 발생한 빛이 상부 전극 방향으로 투과되는 Top- emission 방식과 하부 전극 방향으로 투과되는 Bottom- emission 방식으로 구분할 수 있는데, 이 때 빛이 빠져나 가는 방향에 있는 전극은 반드시 투명해야 한다. 최근 출 시되는 제품의 경우 용도에 따라 두 가지 방식 중 채택하 여 적용되므로, 투명전극의 관점에서는 두 가지 경우 모 두에 대응 가능할 필요가 있다. 하부 전극의 경우 전극 상 부에 박막이 순차적으로 적층 되기 때문에 전도도-투과

율을 제외할 경우 가장 중요한 특성은 평탄한 표면조도이 다.

⁶⁾

전극 상부에 증착될 박막의 경우 얇게는 수 나노미 터부터 두꺼워도 대개 100 nm를 넘지 않기 때문에, 조도 가 거친 전극의 경우 단락을 유발할 가능성이 높기 때문 이다. 또한 전류가 전극 면으로부터 균일하게 공급되어야 전류밀도의 국부적 집중을 막아 수명을 늘릴 수 있으므로 균일한 전도도 또한 중요한 특성이라고 할 수 있다. 상부 전극으로 적용될 경우 전극의 표면조도보다는 전극 하부 물질과의 안정된 접촉과 전극 형성 시 하부 유기물의 손 상여부 등이 중요하다. 상부에 전극을 형성할 때 하부 유 기물과의 접촉면이 충분히 안정되지 않을 경우 전류 전달 이 원활하지 않거나 굴곡 시험 시 접촉이 약해질 우려가 있으며, 형성 공정이 용액 공정일 경우 유기물이 손상될 수 있으므로 유의할 필요가 있다. Backplane에 투명전 극이 이용될 경우에도 전극의 위치에 따라 OLED 소자용 전극과 유사한 요구조건이 있다.

터치센서에 사용되는 투명전극의 경우 이와는 다른 특 성이 요구된다. 센서용 전극은 표면조도가 극히 평탄할 필요는 없으나 굴곡 시험 시 전극 물질이 박리되는 일은 없어야 하므로 기판과의 접촉 안정성은 확보되어야 한다.

이보다는 센서의 크기가 클 경우 전기 전도도가 매우 높

아야 한다는 점과, 주로 광학적 특성의 측면에서 요구조

건이 더 많다. 터치센서는 디스플레이 패널보다 통상 사

람 눈에 더 가깝게 위치하기 때문에, 센서가 눈에 보이는

문제 즉, 시인성 문제가 가장 큰 이슈 중 하나이다. 터치

센서는 고도의 미세한 패턴으로 만들어지므로 패턴의 윤

곽이 사용자에게 인지될 우려가 있다. 이는 투명전극의

패터닝 특성이 매우 중요하다는 의미와 함께 시인성 문제

가 반드시 해결되어야 한다는 의미이기도 하다. 또한 패

널에서 생성된 빛이 사용자의 눈에 도달하는 과정에서 센

서에 의해 산란될 경우, 사용자는 터치패널이 Clear하지

않다고 느끼게 되므로 센서의 헤이즈 특성 또한 매우 중

요하다. 이러한 문제들은 반사율이 높은 금속을 투명전극

물질로 활용할 때 더 크게 부각되므로, 금속 표면에서의

반사율 저감 문제는 항상 큰 이슈가 되곤 한다. 그 밖에

전극의 색도 및 반사율 등 주로 광학적 특성이 터치센서

용 투명전극에서 중요하게 다루어진다.

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Fig. 2. (Upper) Filling process of Ag/Cu@Ag nanoparticle paste with doctoring machine, (Lower) SEM images of filled Ag/Cu@Ag mixture paste in bezel (left two figures) and sensor parts of metal meshes touch screen panel (a right figure).

⁷⁾

Fig. 3. (Upper) SEM images obtained from Ag metal-mesh TCE and Ag/Ni metal-mesh TCE after electroplating and after polish-

ing, respectively. (Lower) Schematic structure of inverted QLED fabricated on Ag/Ni metal-mesh TCE and current efficiency-

luminance-power efficiency curves of inverted QLED, with the inset presenting the lighting images of a working QLED on Ag/Ni

metal-mesh TCE.

⁸⁾

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2.2 금속 Mesh 기반 투명전극

금속 Mesh 기반 투명전극은 ITO 대체 투명전극 중 상 용화 사례가 가장 많다. 이들은 대개 터치센서, 그것도 주 로 중대형 크기 이상의 터치센서에 적용되었다. 이는 금 속 Mesh 기반 투명전극이 가지는 장단점이 중대형 터치 센서에 매우 적합하기 때문인데, 우선 금속 기반 패턴이 가지는 우수한 전기 전도도는 기타 소재로는 구현이 불가 능한 수준이므로 중형 이상의 터치센서에 독보적으로 채 용될 수 있다. 반면 Mesh 구조로 인해 유발될 수 있는 광 학적 문제 즉, 패턴 시인성, 반사율, 모아레 및 헤이즈 등 은 사용자가 비교적 먼 거리에서 바라보기 때문에 크게 문제가 되지 않거나, 반사율 저감 공법을 이용해서 상당 부분 극복된 경우가 많다.

플렉서블 터치센서용 금속 Mesh 기반 투명전극을 개 발하기 위해서는 Mesh 선폭이 작아져야 한다는 점 외에 도 기판과 패턴이 안정되게 접합되어야 한다는 점이 중요 하다. 최근 Metals지에 게재된 논문에 따르면, UV imprinting 공법을 통해 고분자 필름에 Mesh trench를 형성하고, 여기에 Ag와 Ag가 코팅된 Cu 나노입자 기반 페이스트를 채워 넣어, 매우 미세한 선폭의 Mesh 패턴을 형성할 수 있었다고 한다(Fig. 2).

⁷⁾

이와 같은 공법으로 저자들은 터치센서부 뿐만 아니라 측면 배선부까지 일괄 공정으로 형성할 수 있었다고 하고, 선폭은 약 1 μm 전 후, 면저항은 약 14 Ω/cm

²

수준으로, 중형 이상의 터치

센서에 적용 가능한 수준이었다. 사실 이와 유사한 Trench 공법은 수년 전에 국내 소재/공정업체를 통해 개 발된 사례가 있으나, 나노 imprinting 공법을 통해 선폭 을 미세화하고 나노 페이스트를 합성하여 Filling density 를 높인 측면에서 의미가 있다. 또한 이러한 구조는 기판 과 Mesh와의 접촉 면적을 넓히는데 기여하므로, 장기적 으로 플렉서블 디바이스용 전극으로도 활용 가능할 것으 로 판단된다.

위 논문과 유사한 공법을 이용하여 금속 Mesh 전극을 제조한 후 OLED용 하부전극으로 활용한 사례도 최근 발 표되었다(Fig. 3).

⁸⁾

중국 Chinese Academy of Sciences 에서 발표한 논문에 따르면, 우선 고분자 기판에 Ni 구조 물을 가압하여 Trench를 형성하고, Ag 나노입자가 분산 된 잉크를 Trench에 채워 넣은 후 소결하여 1차 Mesh 구 조를 완성하였다. 그러나 이 경우 소결된 Ag가 Trench 를 완전히 채우지 못해 전도도가 충분히 높지 않을 뿐만 아니라, 표면조도가 거칠어 OLED용 하부 전극으로는 적 합하지 않은 상황이 된다. 저자들은 여기에 Ni을 전기도 금 방법으로 추가적으로 형성하여 Trench에 Overplating 시킨 후, 기판 상부로 돌출된 Ni만 에칭하는 방식으로 고 평탄 금속 Mesh 기반 전극을 완성하였다. 논문에 따르면 조도는 약 0.17 nm, 면저항 약 2.1 Ω/cm

²

, 투과율 약 88.6%를 달성할 수 있었으며, 개발된 전극을 활용하여 플렉서블 OLED 소자 제작에 성공했다고 한다. 결국 이

Fig. 4. (Left) SEM and AFM micrographs of Ag nanowires on a colorless-polyimide film before and after IPL treatments. (Right) Current

efficiencies of the OLED devices based on the Ag nanowire electrodes with and without IPL treatments.

⁹⁾

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전 논문과 거의 동일한 방식으로 전극을 구현했으나, OLED 소자용으로 더 적합하게 하기 위하여 표면조도를 개선하는 방식을 취한 것이며, 효과가 있었던 것으로 판 단된다.

2.3 은 나노와이어 기반 투명전극

금속 Mesh 전극은 Mesh 형상을 에칭에 의하거나 프 린팅에 의해 인위적으로 구현하는 방식이라면, 은 나노와 이어 전극은 용매에 분산된 나노와이어를 코팅하는 것만 으로 자연스러운 Mesh 형상을 구현한다는데 차이가 있 다. 초창기 은 나노와이어에 비해 최근 판매되고 있는 제 품들은 더 작은 직경으로 합성된 것들이 많으며, 보다 나 은 광학적 성능(낮은 헤이즈)을 염두에 두고 개발된 것들 이다. 은 나노와이어 전극을 OLED 등 발광 디바이스에 적용하기 위해서는 금속 Mesh와 마찬가지로 표면조도 및 기판과의 접착력 개선이 필수적이다. 특히 나노와이어 전극의 거친 표면이 가장 큰 문제가 되곤 하는데, 최근 나 노와이어를 기판 표면 하단에 함침시켜 해결하려고 시도 한 사례가 많이 보고되었다. 반면 터치센서용으로 활용하 기 위해서는 헤이즈 및 색도 등이 문제가 되고 있었으나, 최근 개발된 20 nm대 직경의 나노와이어 분산액 등을 활

용할 경우 크게 개선된 결과를 볼 수 있다고 한다.

나노와이어 전극의 표면조도와 기판과의 접착력 향상 은 플렉서블 OLED에의 적용을 위한 필수요건이다. 최근 이 두 가지 요건을 광기반 열처리를 통해 해결할 수 있다 는 보고가 있는데(Fig. 4),

⁹⁾

해당 논문에 따르면 은의 Resonance 파장대를 포함하는 빛을 펄스 형태로 높은 파워를 인가하여 은 나노와이어에 조사 시 순간적으로 발 열이 되는데, 이 열을 활용하면 표면조도와 기판과의 접 착력을 동시에 개선할 수 있다고 한다. 논문에서는 Intense-pulsed-light (IPL)이라는 광원을 이용하여 실 험하였고, 결과적으로 약간의 표면조도 개선 및 접착력의 큰 향상을 도출할 수 있었다. 이 전극을 플렉서블 OLED 용 하부전극으로 적용하기도 했는데, 미조사 샘플을 이용 한 경우보다 누설전류가 다소 감소한 결과를 얻을 수 있 었다고 한다. 타 공정에 비해 매우 간단한 방식으로 두 가 지 이슈를 다룬 측면에서 의미가 있으나, 표면조도 개선 정도가 타 방식에 비해 크지 않고 고가의 광조사 장치를 사용해야 한다는 점이 단점으로 지적된다.

반면 공정을 완전히 재설계하여 표면조도를 극적으로 개선한 사례도 있다. Fig. 5에 나타난 결과에 따르면, Supporting 기판(유리)을 표면처리 후 나노와이어 전극

Fig. 5. (Upper) Inverted layer processing for fabrication of Ag nanowire-based electrode, (Lower) Mechanical stability of the Ag nanow-

ires/colorless-polyimide composite electrode and current efficiency of the OLED based on the electrode.

¹⁰⁾

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을 형성하고, 패터닝 후 액상 투명 폴리이미드를 코팅/경 화하여 유리로부터 떼어낼 경우, 폴리이미드 표면 하단에 나노와이어가 함침된 형태의 전극을 제조할 수 있다.

¹⁰⁾

이 때 표면조도는 크게 개선되어 RMS 기준 1 nm 수준까 지 형성 가능하며, 나노와이어가 기판 표면에 함침된 구 조로 인하여 기판에의 접합력 또한 향상되었다. 따라서 플렉서블 OLED용 하부전극용으로 사용 가능할 것으로 판단되어, 실제로 디바이스를 제조한 결과 기계적 유연 성/안정성이 크게 향상된 플렉서블 OLED를 달성할 수 있었다고 보고하였다. 이러한 공법에 따르면 결과적으로 플렉서블 디스플레이용 전극으로 적합한 형태로의 도출 이 가능하였지만, 기존 공정을 크게 바꾸어야 한다는 점 은 단점으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 마지막 공정이

전극을 유리로부터 떼어낸 후 뒤집어서 OLED 박막 공정 을 해야 하는데, In-line으로 공정 설계 시 중간에 해당 공정을 삽입하기가 쉽지 않다는 점은 단점으로 작용할 수 있을 것으로 판단된다.

이들과는 별개로 OLED의 발광 효율을 향상시키기 위 한 방법을 제시한 논문도 있다. Fig. 6에 요약된 논문에 따르면, 짧은 나노와이어와 긴 나노와이어를 합성하여 각 각 전극을 만들어 OLED 하부 전극으로써의 성능을 평가 하고, 이들을 섞어 하이브리드 전극을 만든 후 그를 기반 으로 제작된 OLED와의 발광효율을 비교하였다.

¹¹⁾

그림 에서 알 수 있듯이, 짧은 나노와이어 기반 소자의 발광 효 율이 가장 낮았으며, 긴 나노와이어를 활용한 경우가 그 다음, 하이브리드 전극의 효율이 가장 높았다. 짧은 나노

Fig. 6. (Upper) Fabrication procedure of the embedded multiscale nanowire flexible transparent conductor, (Lower) Current and power

efficiency of the fabricated OLEDs.

¹¹⁾

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와이어를 이용하여 전극을 만들 때 필요한 나노와이어 농 도보다 긴 나노와이어를 이용하여 동등 수준의 전극을 형 성할 때 필요한 나노와이어 농도가 크게 낮을 것이며, 따 라서 투과율 대비 전도도(FoM: Figure-of-Merit) 측면 에서 긴 나노와이어가 월등히 우수하다. 이렇게 높은 FoM은 제조된 OLED의 발광 효율 향상에 기여할 수 있 었다. 하이브리드 전극의 경우, 기본적으로 긴 나노와이 어로 만들어진 Mesh 구조에 짧은 나노와이어로 보완함 으로써 전류 전달 경로 확대의 측면에서 효과적이었던 것 으로 판단된다. 본 논문은 은 나노와이어 기반의 플렉서 블 OLED용 투명전극 제조 시, 명확한 가이드라인을 제 시했다는 측면에서 의미가 있겠다.

은 나노와이어 기반의 터치센서 개발은 많은 결과들이 나와있고 상용 제품도 출시되어 있는 상황이어서, 플렉 서블 터치센서용으로 훌륭한 선택지라고 판단된다. 최근 들어서는 터치센서의 기능을 보다 고도화하는 작업이 전 개되고 있는데, 그 하나가 정전용량 값의 변화를 이용한 압력센서 개발이다. Fig. 7에 그 예를 나타내었는데, 저 자들은 단일 레이어의 나노와이어를 Tandem compound

pattern의 형태로 패터닝하여 평행한 나노와이어 선간 간격에 정전용량이 형성되게 한 후, 센서에 가압 시 정전 용량 값이 변화되게 유도하였다.

¹²⁾

이는 센서가 물리적으 로 소프트한 물체, 예를 들어 사람의 피부 등에 부착되었 을 때를 염두에 두고 개발한 것으로, 이 경우 센서에 압 력을 가하면 센서가 굴곡을 형성하게 되어 전극선 사이 에 형성된 정전용량 값의 변화가 발생하게 되는 원리이 다. 결과적으로 신체에 부착 가능한 압력 센서로서 개발 에 성공하였으나, 두 가지 문제가 있는 것으로 판단된다.

첫 번째는 정전용량 방식 자체의 문제점으로, 외부 환경 에 따른 영향을 많이 받으므로 반드시 차폐층이 필요하 다는 점이고, 다른 하나는 정전용량 값의 변화가 압력에 의한 것인지, 굴곡에 따른 것인지 명확하지 않다는 점이 다. 이에 대한 논의를 진전시킨 결과 또한 논문으로 게재 된 바 있다.

¹³⁾

2.4 그래핀 기반 투명전극

투명전극으로써의 그래핀 개발은 소재의 얇은 두께 및 우수한 전기전도도로 인해 개발 초기부터 주목받아온 분

Fig. 7. (Upper) Capacitance of the sensor attached to a fingertip measured while applying force to a balloon, (Lower) measured capaci-

tance of the sensor attached to the skin around a proximal interphalangeal joint using glue and capacitance variation with the

angle of proximal interphalangeal joint.

¹²⁾

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야이다. 이를 위해 국내 대기업에서도 적극적으로 투자하 여 세계적으로 가장 앞서 나가는 분야로 자리매김한 바 있으나, 최근 금속 기반 전극의 우수한 성능에 밀려 다소 주춤한 분위기이다. 하지만 관련 연구자들에 의해 투명전 극으로써의 가능성이 꾸준히 검증되고 있으며, Fig. 8에 정리한 그림이 그 예이다.

¹⁴⁾

해당 논문에서 저자들은 일 반적인 2층 기반의 정전용량 방식 터치센서와 유사한 형 태의 구조에 그래핀 전극을 적용하였다. 기존 터치센서와 다른 점은 전극이 형성된 기판의 두께가 매우 얇다는 점 과(~5 μm) 전극이 그래핀이라는 점 등이다. 그래핀은 bis (trifluoromethane) sulfonamide (TFSA)가 도핑된 것으로 면저항이 317 `Ω/cm

²

수준이므로 우수하다고 할 수는 없으나, 센서의 크기가 통상의 디스플레이 패널과 비교할 수 없을 정도로 작으므로 사용이 무방하였다고 판 단된다. 해당 센서는 전도성 물체의 터치만을 감지하는

것이 아니라 전도성 물체의 접근 또한 감지할 수 있다고 한다. 정전용량이 전극 간의 전자기적 커플링에 의한 것 이므로 차폐가 잘 되어 있다면 충분히 가능할 것으로 보 인다. 본 연구는 금속 기반 전극에 비해 크게 열세에 있는 전도도를 가진 소재임에도 소형 센서 개발에는 충분히 활 용할 수 있다는 점을 보여주었다는 점에서 의미가 있다고

Fig. 8. (a) Schematic diagram illustrating the concept of a graphene-based capacitive sensor, (b) Representative image of an electronic skin with a capacitive, multifunctional sensor array, (c) Optical transmittances for the top and bottom panels of the graphene- based capacitive sensor, (d) Image of a foldable, ultrathin, capacitive sensor that wrapped around the edge of 1 mm-thick glass slide, (e) Relative resistance and capacitance changes under different bending radii.

¹⁴⁾

Fig. 9. Schematic illustrations of the fabrication processes for

graphene-based OLED.

¹⁵⁾

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판단된다.

한편 그래핀을 OLED용 양극 전극으로의 활용 가능성 을 연구한 논문도 지속적으로 출판되고 있다. Fig. 9에 소개한 논문에서 저자들은 결함을 최소화 시킨 그래핀을 합성하고, 그래핀의 일함수를 향상 시켜 플렉서블 OLED 용 양극 전극에 적합하게 제조하였다.

¹⁵⁾

또한 Hole의 주 입 특성을 향상 시키기 위하여 그래핀에 적합한 HIL (Hole-injection-layer)을 신규로 사용하였으며, 이를 통하여 결과적으로 매우 높은 발광 효율을 달성하였다고 한다. 그래핀은 금속 기반 전극과 달리 표면조도 문제로 부터 자유로우며, 면상 전도체이기 때문에 효율 향상을 위한 공정 설계가 한결 여유롭다. 본 논문에서는 해당 소 재들을 활용하여 녹색 인광 기준 24.6%의 외부양자효율 을 기록할 수 있었다고 한다.

그래핀을 투명전극으로 사용하기 어려운 이유 중에 하 나인 결함 문제와 관련하여 최근에 흥미로운 논문이 출판 되었다(Fig. 10).

¹⁶⁾

해당 논문에서 저자들은 CVD 증착 그 래핀의 결함, 예를 들어 결정립계 등이 그래핀의 품질을 열화시키는 요인으로 작용하는데 이를 금의 전기도금법 으로 힐링하여 특성을 향상시킬 수 있다고 주장하였다.

이렇게 결함에 선택적으로 금이 도금될 수 있는 이유에

대해 저자들은, 결함으로 왜곡된 결정구조로 인해 국부적 인 전류밀도 향상이 이루어져 가능하였다고 한다. 결과적 으로 금이 그래핀의 결함에 입자 형태로 환원되어 보강재 로 역할을 하게 되면서 전기적 성능의 향상을 가져왔고, 이를 이용해 제조된 OLED 소자의 발광 효율 또한 향상 되었다고 한다.

2.5 전도성 고분자 기반 투명전극

전도성 고분자의 대표적인 물질로 PEDOT:PSS를 들

Fig. 10. (a) Schematic flow chart of the fabrication process for the electrode structure using repeated graphene transfer with Au NPs- based defect healing of graphene, (b) Electroplating of Au NPs for selective defect decoration of graphene, where Au ions are reduced to Au NPs owing to the concentrated charge distribution at the various defective sites, (c) Representative Raman spectra of pristine graphene and Au-decorated line defect of the healed graphene.

¹⁶⁾

Fig. 11. (a) Schematic representation of the PLED stack with non-

embedded Ag-ink lines, (b) schematic representation of

PLED stack with embedded grid lines, (c) transmission of

the tested electrode stacks, (d) operating PLED (embed-

ded 5mm grid/PEDOT:PSS electrode).

¹⁷⁾

(11)

특 집

CERAMIST

수 있다. 본 물질은 위에서 언급한 물질들에 비해 전기적 성능이 다소 열세에 놓여 있어, 단독으로 사용되기 보다 는 금속 기반 전극과 혼용되는 경우가 많다. Fig. 11에 나 타낸 결과 또한 그 하나의 예로, 금속 Mesh 구조의 전극 상부에 코팅하여 사용한 경우이다.

¹⁷⁾

이 경우 주 전극은 금속 Mesh이고 PEDOT:PSS는 보조전극으로 활용되었 으나, 구조적으로 보면 PEDOT:PSS가 양극 전극이고 금 속 Mesh가 보조전극으로 보이기도 한다. 결과적으로는 훌륭한 조합이었다고 하는데, 특히 고분자 기판에 함침된 금속 Mesh 전극 상부에 PEDOT:PSS를 코팅한 경우가 발광 효율 관점에서 더 나은 결과로 나타났다고 한다.

3. 결론

본 고에서는 디스플레이용 투명전극 물질로 널리 활용 된 ITO의 대체물질로 연구 중인 소재들의 개발 동향에 대 하여 리뷰하였다. ITO는 특유의 가시광 투과율과 우수한 전도성으로 인해 투명한 전극을 필요로 하는 대부분의 용 도에 사용되어 왔지만, 기계적 유연성을 핵심 특성으로 하는 플렉서블 디스플레이에는 특유의 취성으로 인해 적 용되기 어려운 한계를 드러내었다. 대체물질로 널리 개발 되고 어느 정도 그 가능성을 인정받고 있는 물질 4가지를 선정하여, 관련된 연구결과 중 흥미로운 것들을 일부 소 개하였으며, 연구 초기에 있거나 상용화와 지나치게 동떨 어져 있는 일부 신소재의 경우 리뷰에서 배제하였다. 검 토된 소재들은 각기 분명한 장단점을 가지고 있었으며, 최근 연구 결과들은 이들의 단점을 상당부분 보완하는 수 준에 이르렀음을 확인할 수 있었다. 특히 금속 Mesh와 은 나노와이어 관련 연구결과는 이미 양산화를 검토해볼 수 있는 단계에 다다르고 있었으며, 생산 단가 문제가 해 결된다면 바로 적용 가능할 수도 있을 것으로 판단되었 다. 실제로 일본 닛토덴코 사의 ITO 필름 가격 정책으로 인해 대체소재들이 시장에 진입하는데 어려움을 겪고 있 는 것으로 파악되었지만 이는 플렉서블 디스플레이가 시 장에 본격적으로 진입할 시기가 되면 상당 부분 해결될 수 있을 것으로 사료된다. 그래핀 및 전도성 고분자 또한 지속적으로 연구개발 되고 있었으며, 금속 기반 소재와는

다른 형태의 용도에 적용 가능성이 있을 것으로 보인다.

특별히 특화된 소형 디바이스에 적용하거나, 금속 기반 소재와의 하이브리드화를 통해 서로의 장점은 극대화하 고 단점은 보완하는 방향으로 개발이 이루어진다면 그래 핀과 전도성 고분자의 시장 전망도 그리 어둡지 않을 것 으로 보인다.

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 김 선 옥

 2018년 전북대학교 신소재공학부 학사

 2018년 전북대학교 신소재공학부 석사과정

 최 수 빈

 2018년 전북대학교 신소재공학부 학사

 2018년 전북대학교 신소재공학부 석사과정

 김 종 웅

 2001년 성균관대학교 신소재공학부 학사

 2008년 성균관대학교 신소재공학부 박사

 2009년 전자부품연구원 책임연구원

 2017년 전북대학교 신소재공학부 조교수