특집 : Flexible 투명 전자 모듈
유연·신축성 전자 소자 개발을 위한 은 나노와이어 기반 투명전극 기술
김대곤1·김영민2·김종웅2,†
1성균관대학교 마이크로전자패키징연구소, 2전자부품연구원 디스플레이부품연구센터
Recent Trends in Development of Ag Nanowire-based Transparent Electrodes for Flexible·Stretchable Electronics
Dae-Gon Kim1, Youngmin Kim1 and Jong-Woong Kim2,†
1Micro Electronic Packaging Laboratory, Sungkyunkwan University, 2066, Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea
2Display Components & Materials Research Center, Korea Electronics Technology Institute, 25, Saenari-ro, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do, Korea
(Received March 21, 2015: Corrected March 24, 2015: Accepted March 26, 2015)
Abstract: 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. Among them, Ag nanowires are particularly interesting to synthesize because bulk Ag exhibits the highest electrical conductivity among all metals. Here we reviewed recently-published research works introducing various devices from organic light emitting diode to tactile sensing devices, all of which are employing AgNW for a conducting material. They proposed methods to enhance the stretchability and reversibility of the transparent electrodes, and apply them to make various flexible and stretchable electronics. It is expected that Ag nanowires are applicable to a wide range of high-performance, low-cost, stretchable electronic devices.
Keywords: Ag nano wire, Transparent electrode, Flexible electronics, Stretchable electronics
1. 서 론
크기의 대형화 및 박형화에서 터치패널의 장착, 그리고 고해상도 지원의 방향으로 시장을 선도해 온 국내 디스플 레이 업계는 최근 핵심 신 성장동력으로 디스플레이의 유 연화라는 큰 틀을 설정하고 본격적인 개발을 진행하고 있 다. 디스플레이 뿐만 아니라 태양전지(Solar cell), 배터리 (Battery) 및 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 소자 등의 유연화를 위해서는 1차적으로 전극의 유연화가 전제되어 야 한다.1-15)대개의 전극이 금속으로 이루어짐을 감안하면 유연화를 위한 장애물은 주로 투명전극 물질로부터 비롯 된다. 현재까지 투명전극으로 가장 널리 사용되어온 물질 은 인듐 산화물에 주석 산화물이 9:1의 비율로 도핑(dop- ing)된 ITO (Indium tin oxide)인데, 이 물질은 높은 투과율 을 보이면서도 전도성이 우수하여 박막 트랜지스터의 전 극 물질로 뿐만 아니라 터치센서용 투명 전극, 유기박막다 이오드(OLED: Organic light-emitting diode)의 양극 등으로
널리 활용되어 왔다.
ITO의 이러한 장점에도 불구하고 최근에는 이를 기타 물질로 대체하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 ITO의 구성 원소 중 핵심이 되는 인듐이 매우 고가의 물질 일 뿐만 아니라 매장량의 상당 부분이 중국에 있어 향후 수 급의 불안정성 등이 우려됨에 기인하는 것이다. 그러나 무 엇보다 최근의 이슈는 ITO의 산화물 특유의 취성(Brittle- ness)이 유연 소자 제조에 적합하지 않다는 연구결과들에 바탕을 두고 있다. 예를 들면, 최근의 유연 디스플레이 제 품군의 하나로 개발이 진행 중인 폴더블 디스플레이(Fold- able display)는 접히는 부분에서의 곡률반경이 약 3 mm에 이르는 반면, 필름에 코팅된 ITO는 8 mm 이하의 곡률이 가해질 경우 크랙이 발생한다는 결과가 보고된 사례가 있 다.16)물론 코팅된 기재의 두께에 따라 ITO에 실제로 인가 되는 Stress가 달라질 것이므로 이를 절대적인 수치로 보기 는 어렵지만, ITO의 취성이 소자의 유연성에 어떠한 영향 을 끼칠 수 있는지를 명확히 보여주는 사례라 할 수 있다.
†Corresponding author E-mail: [email protected]
© 2015, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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따라서 학계 및 연구계에서는 투명전극의 유연화를 위 해서는 ITO 이외의 대체물질 개발이 필수적이라고 보고 이의 개발에 열을 올리고 있다. 대표적인 물질로 탄소 기반 의 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube) 및 그래핀 (Graphene)을 들 수 있다.17-20)탄소나노튜브는 외벽의 개수 에 따라 SWNT(Single-wall nanotube) 및 MWNT(Multi- wall nanotube)로 구분하는데, 투명전극 제조를 위해서는 주로 전도성이 우수한 SWNT를 사용한다. 나노튜브와 같 은 1차원 물질이 전도성을 띄기 위해서는 코팅된 전체 면 적에서 물질간 접촉이 이루어져야 한다. 이렇게 단위물질 간 접촉이 이루어진 상태를 Percolated network이라고 하 고, CNT 등의 비교적 종횡비가 큰 물질은 Percolated state 에 이르기 위한 필요 밀도가 매우 낮아 CNT가 코팅 되지 않는 넓은 면에 의한 고투과 특성이 나타나게 된다. 이를 바탕으로 CNT를 투명전극에 이용하려는 시도가 진행 중 이지만, 고전도성 CNT의 분리 정제 기술의 난해함, 금속 대비 상대적으로 낮은 전도도 및 높은 분산 난이도 등에 의 해 상용화가 지체되고 있다.
그래핀은 탄소 원자 단층으로 구성된 초박막 Sheet를 의 미하는데, 고전도도, 고투과율, 높은 전자 이동도 및 우수 한 유연성 등으로 인해 유연 투명전극 소재로 크게 각광받 았다. 하지만 최근 일본 니토덴코 사의 ITO 필름 가격 인하, ITO 특성 향상 및 은 나노와이어(Ag nanowire) 등 경쟁소 재의 급격한 특성 향상 등에 밀려 고전하고 있다. 은 나노 와이어를 필두로 하는 금속 기반 나노와이어 소재는 CNT 와 마찬가지로 큰 종횡비를 가지는 1차원 전도성 소재로, Percolated network를 구성하기 위한 최소 밀도가 마찬가지 로 매우 낮아 고투과 특성과 고전도 특성을 동시에 구현하 기에 적합하다. 특히 은 나노와이어는 우수한 전기전도도 와 더불어, 표면에 코팅된 PVP (polyvinylpyrrolidone)에 의 한 높은 분산안정성, 향상된 합성 Scheme에 의한 고종횡비 및 안정된 물리적 특성 등에 의해 유연 전자소자용 투명 전 극 물질로 최근 가장 각광받고 있다.21-24)
금속 나노와이어는 자체 물리적 특성(Intrinsic physical property)은 매우 우수하지만 기타 부수적인 일부 문제를 가지고 있다. 몇 가지 예를 다음과 같이 정리할 수 있다. 첫 째로 낮은 Percolation threshold에 의해 높은 투과율과 전도 도를 동시에 달성할 수 있지만 금속 특유의 높은 반사율과 거친 표면 특성으로 인해 Haziness가 높은 단점이 있다. 둘 째로 일반적으로 유연소자용 기판으로 사용하는 폴리머 소재, 즉 에틸렌 계열의 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), 이미드 기반의 PI(Poly- imide) 뿐만 아니라 신축성 폴리머인 PUA(Polyurethane Acrylate) 및 PDMS(Polydimethylsiloxane)까지 모두의 공 통적인 특징인 낮은 표면에너지로 인해 이들 표면으로의 코팅 및 Adhesion 특성이 좋지 않다는 점을 들 수 있다. 또 한 Percolated network 구조에 의한 나노와이어 코팅 기판 의 거친 표면 특성이 상부 박막층 간의 전기적 합선(elec- trical short circuit)을 유발할 수 있으므로 이에 대한 해결책
마련 또한 시급한 실정이다. 은 나노와이어의 경우 아직 높 은 가격 또한 이의 실질적인 산업적 적용을 지연시키는 요 인으로 작용하고 있으므로, 이에 대한 해결책으로 구리 나 노와이어 등 저가의 금속을 기반으로 하는 나노와이어 소 재 또한 개발이 한창이다. 그러나 은 나노와이어 분산액의 높은 가격은 은이라는 귀금속이 소재로 쓰임에 의한 것이 라기보다는 나노와이어의 대량 합성 Scheme이 고비용 구 조임에 기인하는 것으로, 당장 구리 나노와이어로의 대체 가 해결책이 되지는 못할 것으로 판단된다.
본 고에서는 금속 나노와이어 중 현재 가장 널리 연구·
개발이 집중되고 있는 은 나노와이어 관련 연구 동향을 리 뷰하고, 각 소자별 적용 사례를 소개함으로써 해당 소자에 서의 발생 가능 이슈 및 해결 방안 등을 종합적으로 판단하 는데 도움이 되도록 하고자 한다.
2. 유연 디스플레이 및 태양전지 박막 소자 유연 디스플레이는 단순히 현재의 개념인 크고 작은 곡 률반경으로의 굽힘이 가능한 디스플레이 소자에서, 훨씬 작은 크기의 곡률 반경 또는 신축성이 부가되는 경우의 인 체 착용형(Wearable) 디스플레이의 개발로 진화하고 있다.
이러한 소자의 개발을 위해서는 제작된 소자의 안정된 유 연성 및 신축성 구현도 중요하지만, 이들에 앞서 안정적 발 광 특성 구현 및 장기 신뢰성 확보가 선행되어야 한다. 은 나노와이어를 유연 디스플레이 소자 개발에 적용하기 위 해 가장 먼저 해결해야 하는 과제는 나노와이어 코팅층의 거치 표면 조도를 낮추는 일이다. 나노와이어 투명전극은 낮은 밀도에서 구현되므로, 기판 표면 상에 나노와이어가 위치하는 곳과 비어 있는 곳이 상존하게 된다. 이 경우, 나 노와이어가 여러 층으로 쌓여 존재하는 것이 아니므로 나 노와이어 유무에 따른 단차가 필연적으로 존재하게 된다.
실용적으로 사용 가능한 나노와이어의 직경이 100 nm 이 하이고 바람직하게는 50 nm 이하가 필요함을 감안하면, 나노와이어 유무에 따른 단차는 작게는 100 nm에서 크게 는 200 nm 이상으로 발생하게 된다. OLED(Organic light
Fig. 1. AgNW-PUA composite electrode.26)
emitting diode) 등 박막 소자의 경우 얇은 박막의 경우 두께 가 10 nm 이하인 것도 있음을 감안하면, 앞서의 단차는 소 자 특성에 매우 큰 악영향을 끼칠 수 있음을 쉽게 예상할 수 있다. 따라서 유연 박막 소자 제조에 나노와이어를 사용 하기 위한 최우선 과제는 나노와이어 코팅 표면의 조도를 낮추는 것이 되고 있다.
이 분야에서 가장 앞서 있는 그룹은 UCLA의 Qibing Pei 교수 그룹이다.25,26)해당 그룹에서는 이미 4년 전에 기존의 폴리머 상부에 나노와이어를 코팅하는 Approach에서 벗 어나, 나노와이어 층에 액상 폴리머를 코팅하고 경화 후 이 를 떼어내는 방식으로 거친 표면 특성을 해결하고자 하였 다. 이를 위해서는 Solvent casting이 가능한 폴리머, 즉 모 노머가 분산된 액상 또는 Solubility가 높은 폴리머 분산액 으로 제조 가능한 폴리머는 어느 것이든 적용 가능하게 된 다. 예를 들어 Fig. 1에 나타낸 예에서와 같이 신축성이 뛰 어난 PUA 모노머를 나노와이어 코팅면에 코팅하고 경화 후 떼어낼 경우 나노와이어가 표면에 함침된 전도성 필름 을 제조할 수 있다. 이 경우 나노와이어 단차에 의한 거친 표면조도는 측정치에 드러나지 않고, 폴리머의 표면 특성 이 검출되게 된다. 즉, 폴리머 표면 조도가 낮은 경우 제조 된 전극층 표면 또한 동일하게 구현되는 것이다.
상기 Approach를 적용할 경우 거친 표면 특성을 개선할 수 있다는 점 외에, 나노와이어와 폴리머의 접촉 면적 확대 에 따른 접착력 향상 및 이에 의한 높은 신축성 또한 기대 할 수 있다. 실제로 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 상기 구조로 제조된 투명전극 상부에 OLED 소자를 형성할 경우 우수 한 신축성을 구현할 수 있다고 보고된 바 있다. 나노와이어 를 활용한 유연 또는 신축성 투명전극의 기계적 특성은 주 로 나노와이어와 폴리머의 계면 특성에 결정된다. 나노와 이어 자체는 물리적 형상 자체가 매우 작은 스케일에서 결 정되므로 거시적인 형태의 물리적 변형이 가해져도 와이 어 자체에 인가되는 Stress는 매우 미미한 수준에 불과하다.
따라서 일반적인 수준에서 인가하는 Stress가 영향을 끼치 는 것은 주로 나노와이어가 코팅된, 또는 함침된 폴리머가 되며, Stress 인가에 의한 성능 저하는 폴리머의 기능적 특 성 저하 또는 나노와이어와 폴리머의 계면 특성 저하게 기 인하게 된다. 나노와이어가 폴리머 표면에 함침된 경우 나 노와이어와 폴리머의 계면이 더욱 넓어지게 되므로, 계면
에서의 두 이종상의 접착력이 클수록 안정적인 기계적 특 성 구현이 가능하게 된다. 이러한 계면 접착력을 극대화하 기 위해서는 나노와이어 표면에 PVP가 코팅되어 있음을 감안해야 하며, PVP와 폴리머와 화학적 본딩(chemical bonding), 예를 들어 수소결합 등을 유도할 수 있을 경우 좋 은 결과를 낼 수 있다.
나노와이어를 폴리머 표면에 함침하기 위한 보다 직관 적인 방법은 나노와이어를 소프트 폴리머 상부에 코팅 후 이를 눌러주는 것이다. Fig. 3에 이러한 예를 나타내었다.27) 해당 논문에서는 나노와이어 분산액을 PMMA 상부에 코 팅하고 이를 제3의 물질로 Pressing함으로써 나노와이어 함침구조를 제조할 수 있었다. Qibing Pei 그룹에서 제조한 경우와 달리 표면에 나노와이어가 완전히 함침 되지는 못 하고, 외부로 일부 돌출된 구조로 제조 되었으며, 이를 구 현하기 위한 Pressing 압력이 매우 높아 실용적으로 적용이 쉽지 않다는 문제점도 가지고 있다. 나노와이어를 폴리머 표면에 함침하는 Approach는 표면 조도를 낮추고 기계적
Fig. 2. Stretchability of AgNW-PUA composite electrode.26)
Fig. 3. 폴리머 표면에 은 나노와이어 함침을 위한 공정.27)
Fig. 4. 은 나노와이어 함침 기판에의 OLED 소자 형성 구조 및 특성.27)
신뢰성을 향상 시키는 측면에서는 매우 효과적이지만, 나 노와이어의 대부분이 폴리머 내부에 내장되고 일부 면만 외부로 노출되는 구조이므로, 나노와이어와 상부 박막의 접촉이 중요한 소자에서는 적합하지 않다. Fig. 3의 구조에 서는 표면 외부로 나노와이어가 일부 돌출되어 있으므로 표면이 다소 거칠다는 단점도 있지만, 높은 접촉 면적에 의 한 원활한 전하 이동이 가능하다는 장점도 가지게 된다.
Fig. 4에 해당 기판에 OLED 소자를 형성 후 발광 특성을 평 가한 결과를 나타내었는데, 함침된 구조에 의한 비교적 낮 은 Leakage current와 더불어 높은 효율의 소자가 제조될 수 있음을 알 수 있다.
나노와이어가 코팅된 기판의 표면 조도를 개선하고 기 계적 신뢰성을 향상시키는 방법으로, 위와 같은 직관적인 방법 외에 고에너지 광 조사에 따른 발열을 이용하는 것도 있다.28) Fig. 5에 나타낸 예에 따르면, IPL(Intense-pulsed- light)을 나노와이어 코팅층에 조사할 경우 나노와이어의 Plasmonic heating에 의한 Photonic sintering 효과 외에 나노 와이어 하부의 폴리머 간접 가열에 의한 Partial fusion이 가 능하여, 표면에 일부 함침된 나노와이어 구조를 형성할 수 있게 된다. Fig. 5에 나타난 것처럼, IPL 처리가 이루어지지 않은 샘플의 경우에는 폴리머의 낮은 표면에너지로 인해 나노와이어가 기판에 밀착되어 있지 않고 기판과 와이어
간격이 존재하는 반면, IPL 조사횟수가 증가함에 따라 나 노와이어가 폴리머에 접착된 듯한 형상으로 발전하게 된 다. 최종적으로 8회 조사 샘플의 경우에는 나노와이어가 표면에 일부 함침된 구조가 되었음을 알 수 있다. 결과적으 로 표면 조도 또한 일부 개선됨을 실험적으로 규명할 수 있 었고 논문에 해당 데이터가 게재되어 있다.
위 논문에서는 해당 기판의 표면 특성이 최종 소자에 미 치는 영향을 평가하기 위하여 OLED 소자를 직접 제조 후 평가하였다. Fig. 6에 이를 나타내었는데, IPL 처리되지 않 은 기판에 비해 Leakage current는 다소 감소하였고, 발광 특성 자체는 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 또한 IPL 처리 를 통한 Partial fusion에 의해 나노와이어와 폴리머의 접착 력이 크게 향상되어 기계적 신뢰성 또한 개선되었음을 감 안하면, 유연 디바이스 제조를 위한 하나의 기반 기술이 될 수 있는 것으로 평가할 수 있다.
유연 태양전지는 주로 유기 소재를 활용한 태양전지, 즉 OPV(Organic photovoltaic)을 통해 구현되는데, 이 또한 유 연 디스플레이용 발광 소자의 구조와 크게 다르지 않으므 로 투명 전극에 요구되는 사항 또한 유사하다고 할 수 있 다. 은 나노와이어 기반 투명 전극은 디스플레이 소자에서 와 마찬가지로 표면 조도가 거칠지 않아야 하고, 유연성 확 보를 위해서는 나노와이어와 폴리머의 접촉면적 확대 또 는 접착력 증대가 필연적으로 요구된다. 최근에는 나노와 이어를 단지 하부 전극으로만 사용하지 않고, 상부 전극에 도 동시에 적용함으로써 투명 태양전지를 구현하기 위한 연구 또한 진행 중에 있다. 하지만 어떤 경우에도 우수한 기계적 신뢰성과 기타 특성의 상존을 위해서는 나노와이 어와 인접 레이어와의 우수한 접착력이 보장되어야 함은 주지의 사실이다.
3. 터치센서
ITO 필름의 최대 수요처는 단연 터치센서 제조사이다.
약 80% 이상의 ITO 필름을 터치센서 제조사에서 소모하 였고, 또한 이들 물량의 약 90%를 일본 니토덴코 사에서 독점함으로써 핵심소재의 해외 의존성을 강화하는데 기 여한 바 있다. 은 나노와이어를 이용한 투명전극의 최대 수 요처 또한 현재까지는 터치센서 제조가 되고 있으며, 향후 얼마간 이러한 추세에는 변화가 없을 것으로 예측되고 있 Fig. 5. IPL 처리 횟수에 따른 cPI에 코팅된 나노와이어 층의 표면
형상: 차례대로 0회, 2회, 4회, 8회 (Irradiation condition:
500 µs pulse at 3 kV).28)
Fig. 6. IPL 처리된 은 나노와이어 기판에 형성된 OLED 소자의 발광 특성.28)
다. 터치센서는 크게 4가지 형태로 구분할 수 있다. 첫째는 가장 먼저 상용화 된 기술의 하나인 저항막 방식이고, 두 번째는 모바일 기기에의 터치패널 장착을 위해 현재 가장 널리 사용되는 방식인 정전용량 방식이다. 세 번째와 네 번 째는 각각 IR을 이용하는 광학방식과 RF 신호를 이용하는 전자기 방식이다. 이 중 ITO와 같은 투명전극을 센서로 사 용하는 방식은 저항막 방식과 정전용량 방식이며, 현재의 모바일 기기에 채용되는 방식의 대부분은 정전용량 방식 이므로 본 고에서는 이에만 국한하여 논의하고자 한다.
정전용량 방식 터치센서의 구동 원리는, Dielectric 필름 을 사이에 두고 투명한 전극층이 상하부에 부착되어 있는 구조에서, 미세 전류가 흐를 때 발생하는 전하량이 전도체 의 근접 또는 접촉에 의해 변하는 것을 감지하는 것에 따른 다. 정확한 전하량의 형성 및 이의 변화에 따른 정확한 감 지를 위해서는 투명전극 필름의 부착만으로는 불가능하 므로, 정전용량 방식 터치패널의 구현을 위해서는 투명전 극의 패터닝 기술도 동반되어야 한다. 은 나노와이어 투명 전극 필름의 경우 습식 에칭 또는 건식(이 경우 주로 레이 저를 이용함)으로의 패터닝이 용이하므로 그 자체가 문제 가 되지는 않는다. 다만 Percolated network structure의 특성 상, 선폭이 지나치게 줄어들 경우 나노와이어간 미접촉 영 역 형성에 따른 단락이 발생할 수 있으므로, 농도 및 선폭 디자인에 신중을 기하는 것이 필요하다. 최근 정전용량 방 식 터치센서는 센서 자체의 박형화를 위해 센서를 2장에서 1장으로 구현하는 추세로 가고 있다. 이 경우 고가의 센서
필름 1장을 줄일 수 있으므로 생산 단가 차원의 장점도 있 지만, 광학적 특성 향상 등의 측면도 무시할 수는 없다. 다 만 1장의 센서 필름에 Tx와 Rx를 모두 형성해야 하고, 센서 사이에 배선도 형성해야 하므로, 요구되는 선폭은 더욱 작 아지며, 그에 따른 저항 증가는 필연적이다. 센싱 전극의 저항은 터치 센싱 속도를 저하시키는 요인으로 작용하므 로, 결국 저저항 고투과 전극 물질 개발이 매우 중요함을 알 수 있다. 최근에는 디바이스의 유연화를 위한 이유 외에 도 ITO 필름의 높은 저항(100 ohm/sq 이상)을 개선하기 위 하여 나노와이어를 채용하는 사례가 발생하고 있는 이유 가 여기에 있다.
나노와이어를 이용한 터치센서 제조에 있어서 가장 중 요한 것은, 동일 투과율일 때 저항(주로 면저항)이 얼마나 낮은가 이다. 나노와이어 기반 투명전극은 나노와이어 간 접촉 저항이 전체 면저항을 결정하는 가장 중요한 요인이 므로, 이를 낮추기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 나노 와이어 간의 접촉 저항은, 나노와이어 표면에 코팅되어 있 는 PVP에 의해 결정되는 바가 크므로, 표면의 PVP를 효율 적으로 제거하는 것이 중요하다. 가장 일반적인 예는, 나노 와이어 형성 후 열처리를 통해 PVP를 제거하는 것이다. 이 방법은 처리 온도(120-150oC)가 크게 높지 않고 처리 시간 (약 10분)이 비교적 짧아 필름에 미치는 영향이 그리 길지 않으며, 저항 강하 효과가 커서 널리 활용되고 있다. 하지 만 나노와이어가 고온에 노출 시 산화에 취약해지므로 고 온 열처리 없이 PVP를 제거하는 연구가 진행 중이다. Fig.
Fig. 7. 나노와이어 간 접촉저항 저하에 따른 센싱 감도 향상.29) Fig. 8. 나노와이어 기반 신축성 터치센서 제조 공정.30)
7에 하나의 예를 나타내었다. 해당 논문에서는 PVP가 에 탄올에의 Solubility가 큼을 이용하여, 합성된 나노와이어 를 에탄올에 washing하여 PVP를 제거하고자 하였다. 논문 에 의하면 에탄올을 이용한 PVP 제거가 효과적이었으며, 특별한 후열처리 없이 저항 강하가 이루어졌다. 뿐만 아니 라 나노와이어 코팅 밀도와 무관하게 터치센서의 센싱 감 도가 향상되었음을 알 수 있었다. 논문에서는 이것이 나노 와이어 필름의 면저항 감소에 의한 것으로 보고하고 있다.
나노와이어가 가지는 유연한 성질을 바탕으로 최근에는 신축성 터치센서 개발 연구가 발표되고 있다. 그 한 예를 Fig. 8에 나타내었다.30) 그림에서는 Tx와 Rx를 각각 신축성 폴리머에 형성시키고, Ecoflex를 이용하여 양쪽 폴리머를 접합하였다. 이러한 소자 제조에 있어서는 나노와이어와 폴리머의 접착력이 소자의 기계적 안정성 측면에서 가장 중요하므로, 위 연구에서는 PDMS에 나노와이어를 함침 시켜 접착력을 향상시키고자 하였다. 함침된 나노와이어 는 표면으로 드러난 면이 매우 작으므로 구동 기판과의 접 합 시 접촉저항이 지나치게 올라갈 우려가 있다. 위 논문에 서는 구리 배선을 따로 형성하여 이를 해결하고자 하였으 며, 경우에 따라 폴리머만 일부 식각하여 금속 와이어가 드 러나는 면적을 넓히는 경우도 있다.
터치센서가 신축성을 가지게 되면 단순히 신축성 디스
플레이에의 접합을 통한 터치센서 구현을 넘어서서 인체 부착형 모션-압력 센서로서도 활용할 수 있게 된다. Fig. 9 에 나타낸 바와 같이 앞서 언급한 방법으로 제조된 터치센 서를 인체에 부착 후 외부 압력 또는 인체의 움직임을 감지 하는 센서로서도 활용 가능하다. 이 경우 센서의 늘어남 (Strain 지수) 또는 외부 압력 인가에 따른 Capacitance 변화 를 측정 후 이를 센싱 지표로 활용하게 된다. 비교적 정확 한 센싱이 가능하다고 보고되고 있지만 몇 가지 예상되는 문제점도 있다. 첫째로 PDMS와 금속 나노와이어의 접착 력은 단순히 접촉 면적을 넓히는 것만으로는 해결되지 않 는다는 점이다. 이 경우 나노와이어 코팅 후 PDMS 코팅- 경화하여 떼어내려고 해도, 나노와이어는 모 기판에 부착 된 채로 잔류하게 되는데, 이와 같은 경우 센서의 저항 증 가 및 센싱감도 저하로 나타날 수 있으므로 주의해야 한다.
두 소재 간의 낮은 접착력은 소자로 제작된 이후 Stress 인 가 시 나노와이어의 박리 또는 Network의 sliding으로 나타 날 수 있는데, 이는 장기 신뢰성에 악영향을 줄 수 있으므 로 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 둘째로 센싱 패턴을 언제 어떻게 형성하는가의 문제이다. PDMS에 나노와이 어를 함침시킨 후에는 에칭에 의한 패터닝이 어려우므로 모 기판에서 패터닝 후 그 패턴을 전사시키는 방법이 유용 하다. 하지만 이 경우 성공적인 패턴 전사가 가능하기 위해 서는 앞서의 접착력이 매우 중요하므로 접착력 향상이 선 행되어야 한다. 마지막 문제는 PDMS라는 물질 자체의 한 계에서 기인한다. PDMS는 대표적인 소수성 물질이므로 이 물질 상부에 극성 용매에 분산된 나노와이어를 코팅하 는 것은 사실상 불가능하다. 또한 두께가 얇은 경우에는 안 정성이 다소 떨어지고 두꺼운 경우에는 신축성이 떨어지 므로 이를 보상 가능한 Approach가 필요할 수 있다. 최근에 는 우레탄을 기본으로 하는 다양한 신축성 폴리머가 신축 성 소자 제조를 위해 개발되고 있다.
위와 같은 Approach를 통해 신축성 투명전극을 형성하
Fig. 9. 신축성 터치센서를 이용한 모션-압력센서 제조 및 평가
결과.30) Fig. 10. Pre-straining을 통한 신축성 소자 형성 공정.31)
는 것은 물질의 Intrinsic 특성을 활용해 소자의 신축성을 구현하는 것으로, 그 외에 필요한 중요 패러미터는 물질 간 안정적 결합이라 할 수 있었다. 반면 신규 공정 개발을 통 하여 신축 특성을 구현하는 사례도 있다. Fig. 10에 하나의 예를 나타내었는데, 해당 논문에서는 기판에 미리 일정 수 준의 Strain을 인가하고(미리 기판을 늘려 놓고), 늘어난 상 태에서 전극을 형성하여 신축성 전극을 제조하였다.31) 이 경우 Pre-strain을 풀게 되면 기판에 일정한 Buckle이 형성 되면서 Line이 wavy하게 바뀌게 되므로, 이론적으로는 초 기 Pre-strain을 가했던 만큼은 신축성을 가지게 된다. 하지 만 이를 이상적으로 구현하기 위해서는 Pre-strain을 어느 방향으로 어느 정도 인가해야 하는지가 결정되어야 한다.
1축 방향 인가인 경우 해당 방향으로 만의 신축성을 가질 것이며, 2축 인장인 경우에는 Strain을 풀었을 때 필름 형상 이 사용 가능 범위를 넘어서게 되는 경우도 있다. 코팅 물 질에 따라, 기판의 양 표면 modulus가 큰 차이로 벌어진 경 우에는 필름이 특정 방향으로 휠 수도 있으므로, 해당 공정 활용 시에는 공정 및 소재의 최적화가 먼저 선행되어야 하 겠다.
이상과 같은 경우 외에 나노와이어를 활용한 실 제품 출 시 사례도 있다. Fig. 11에 미국 Cambrios의 은 나노와이어 Dispersion을 활용해 제작된 제품군을 나타내었는데, 해당 제품들은 Rigid한 형태로 출시된 만큼, 향후에는 유연한 특 성을 가지는 제품군 출시가 예상된다.
4. 결 론
은 나노와이어는 특유의 높은 전도도, 유연성, 낮은 Percolation threshold, 무색 및 높은 산화 안정성 등으로 유 연 전자 디바이스 개발을 위한 핵심 소재의 하나로 떠오르
고 있다. 본 고에서는 나노와이어 적용을 위한 두 가지 어 플리케이션, 즉 OLED 및 OPV 등의 유기 박막소자와 터치 센서 분야에서의 개발 동향을 리뷰하였다. 각 소자에 나노 와이어 적용을 위해서는 각기 다른 특성이 요구되었고 이 를 해결하기 위한 다양한 Approach가 제안되고 있다. 여기 서 더 나아가 신축성-인체 착용형 소자 제조를 위해서도 나노와이어는 적극적으로 활용되는 추세이며 이는 인간 의 피부에 바로 적용 가능한 다양한 센서의 개발로 이어질 것으로 예상된다. 향후 은 나노와이어 외에 구리 나노와이 어 등 기타 금속 나노와이어의 개발이 보다 본격적으로 이 루어지면 그간 보지 못한 다양한 형태의 저가형 소자 개발 도 가능할 것으로 보인다.
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