■기술의 정의 및 분류
투명전도성물질에서 ‘투명’이라 함은 ‘가시광에 대해 무색 투명하다’는 뜻으로 풀이할 수 있으며, 가시광역은 빛의 파장으로 380~760nm, 에너지로는 1.6~3.3eV이다. 이 영역에서 빛을 흡수하거나 산란하는 원인요소를 가지고 있지 않을 경우 그 물질에 대해 ‘투명하다’고 규정할 수 있다.

물질은 고유의 전자구조에 따라 전도 영역에 전자가 들어있지 않은 절연체나 반도체, 전도 영역에 전자가 들어있는 금속으로 구분할 수 있다. 만일 특정 물질에 낮은 에너지의 빛 조사 시, 전자의 영역 간 천이가 일어나지 않고 빛을 흡수하지 않는다면 즉, 에너지 갭이 3.3 eV보다 크면 무색 투명한 물질이라고 정의할 수 있다.

투명전도성 소재기술은 소재의 종류에 따라 크게 금속 산화물 소재기술·전도성 고분자 소재기술·나노카본 소재기술로 나눌 수 있다.

■환경변화
◇투명전도성 필름 수요의 급격한 증가
투명전도성 필름은 지금까지 대전방지막·열반사막·면발열체·광전변환소자 및 각종 평판디스플레이의 투명전극으로 사용되어 왔다. 최근에는 LCD, OLED의 수요가 사무기기·TV 등의 대형기기와 휴대전화·전자수첩 등의 휴대용 소형기기를 중심으로 급격히 늘어나면서 투명전도성 필름의 수요도 급속하게 증가하고 있는 추세다. 예로서, 휴대기기를 중심으로 한 사용자 편의 인터페이스 즉 터치기능의 요구가 높은 휴대기기에 탑재율이 급격하게 증가하는 추세다.

◇ITO 대체기술 개발 필요성 증대
현재 대표적인 투명전도성 필름소재인 진공증착 ITO(Indium Tin Oxide)는 외부에서 응력(Stress)을 주거나 구부렸을 때 파괴되는 문제점, 증착 공정상의 고비용, 인듐 소재의 매장량 제한 등으로 대체 소재의 개발이 절실한 상황이다. 특히 패터닝(Patterning)을 통한 ITO 형성 시 필름을 강산이나 레이저로 에칭(Etching)하는 공정을 필수적으로 수반하게 돼 공정단가의 상승뿐만 아니라 공정 효율의 저하로 투명전도성 필름의 단가 상승의 원인이 되고 있다.

▲ ▲투명전도성 필름소재의 기술 분류. ▲투명전도성 필름소재의 기술 분류

■기술의 중요성
◇ITO 대체 투명전극소재는 미래 유망 소재
현재 차세대 투명전극으로 가장 각광받고 있는 나노카본소재 중 탄소나노튜브를 이용한 면코팅은 필름제작뿐만 아니라 인쇄방식의 직접패턴이 가능해 공정단가와 효율을 동시에 개선하는 효과가 있어 ITO필름을 대체할 가장 적합한 소재라 할 수 있다.

나노카본소재를 이용한 투명전극이 상용화 되면 기존 터치스크린·평판디스플레이 시장뿐만 아니라 플렉시블 디스플레이·유연 태양전지 등 새로운 응용분야를 창출 할 수 있을 것으로 기대된다.

◇ITO 대체 투명전극소재 국산화시 대일 수입대체 효과 막대
향후 나노카본소재 기반 투명필름 제조기술이 완성되면 대일 수입의존도가 매우 높은 투명전도성 필름 및 소재분야의 국산화가 가능해 향후 5년간 최대 1조3,000억원의 대일 수입대체 효과가 기대된다.

■투명전도성 필름소재의 개요
투명전도성 필름소재의 대표적인 소재는 ITO(Indium Tin Oxide)로 투명하면서 전기가 통하는 금속 산화물이다. 투명전도성 소재는 모든 디스플레이에서 필요하며 특히 매트릭스 방식으로 구동되는 LCD·PDP와 같은 평판디스플레이 및 터치스크린에도 사용된다. 지금까지 개발된 소재 중에서 ITO는 가장 투명하면서도 전기가 잘 통하고 생산성이 좋기 때문에 대부분의 산업체에서 사용되고 있다.
투명전극은 비저항이 10-3Ω/sq 이하, 면저항이 103Ω/sq 이하로 전기전도성이 우수하고 380에서 780nm의 가시광선 영역에서 투과율 80% 이상을 만족시키는 박막이다. 예로서 기존의 평판디스플레이의 화소전극은 주로 ITO를 스퍼터링(Sputtering)에 의해 유리기판상에 박막으로 코팅해서 사용한다.

유리기판은 전극 형성이나 TFT(Thin-Film Transistor) 제조 등의 공정상에서는 안정성이 있어 유리하지만 무겁고 단단하기 때문에 유연 디스플레이(Flexible Display)나 이동 통신용의 차세대 디스플레이에는 적합하지 않고 플라스틱 기판에 비해 고가이다.

기존 평판디스플레이에 사용되고 있는 금속산화물 전극은 진공상태에서 유리기판상에 코팅이 이루어지며, 화소의 패터닝을 위해 포토리소그래피(Photolithography) 및 에칭공정을 이용해야 한다. 따라서 사용하는 화학약품 처리 및 공정 중에 소모되는 비용이 상당히 큰 단점이 있다. 최근, 이를 대체하기 위한 새로운 소재로 전도성고분자 및 탄소나노튜브·그래핀과 같은 나노카본재료 등이 부각되고 있다.

▲ ▲대표적 전도성 고분자의 종류. ▲대표적 전도성 고분자의 종류

■투명전도성 필름소재의 설명 및 분류
◇금속 산화물기반 투명전도성 필름소재
투명전도성 금속산화물 소재로는 SnO2·In2O3·SnO2-Sb(ATO)·SnO2-F(FTO)·ZnO·CdO·TiO2·Cd2SnO4등이 이용되고 있으며, 주로 In2O3에 SnO2를 고용시켜 제조하는 ITO가 상업적으로 가장 많이 사용되고 있고 SnO2와 ZnO에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

1)ITO
ITO(Indium Tin Oxide)는 In2O3:SnO2 = 90:10~95:5의 비율로 Sn이 도핑된 In2O3으로 전기전도도가 우수하면서 밴드갭(Band Gap)이 2.5eV이상이다. ITO는 가시광역에서 높은 투과성을 나타내기 때문에 각종 디스플레이 패널·전자파 차폐 필름·유기 EL등에 사용되고 있다. 또한 다른 투명전극 소재에 비해 전극 패턴 가공성이 우수하고 화학적 열적안정성이 뛰어나다. 코팅 시 저항이 낮은 장점이 있어 현재 상업적으로 가장 활발히 사용되고 있다. 그러나 주 성분인 인듐(In) 원소의 매장량 한계에 따라 공급가격이 상승하고 있어 대체 소재 개발이 필수적이다.

2)SnO2
SnO2(Tin Oxide)는 ITO에 비해 가격이 싸며 화학적으로 안정한 소재이지만 전극패턴 형성 시 에칭의 난점과 고저항의 단점을 지닌다. 밴드갭이 3.87~4.3 eV이고, 가시광선 및 근적외선에 대해 80% 이상의 높은 투과율을 나타낸다. 또한 ITO나 ZnO와 비교했을 때 내산·내염기·기계적 성질이 우수해 이를 투명전극으로 적용하기 위한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

3)ZnO
ZnO(Zinc Oxide)는 3.4eV 근처의 밴드갭을 갖는 전형적인 n-type 반도체로서 광전 소자로 사용하기 위한 투명 전도소재로 많은 장점을 가지고 있다. 저비용으로 제작 가능하며 높은 광투과성과 전도성을 가지므로 실용적인 투명 전도막 소재로 유망하다. ZnO는 일반적으로 진성(intrinsic)일 경우, 전기적인 성질이 부도체에 가깝기 때문에 전도성을 부여하기 위해 열처리를 하거나 불순물을 주입(Doping)하는 방법을 사용한다.

◇전도성 고분자기반 투명전도성 필름소재
전기 전도성을 목적으로 한 고분자 소재는 파이 공명 고분자(π-conjugated Polymer)로 이루어져 있으며 이는 실제적인 구조에 따라 부도체 또는 반도체의 전자구조를 가지고 있다. 여기에 불순물을 혼합해 고분자 사슬의 전하 분포를 변화시킬 경우 금속에 가까운 전기 전도도를 나타낸다. 전도성 고분자로 1997년 가장 단순한 파이 공명 구조를 갖는 폴리아세틸렌이 최초로 발견됐지만 공기 중에서 불안정한 성질을 나타냈다. 현재 환경에 안정한 전도성 고분자로서 폴리사이오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린 및 다양한 소재를 이용한 연구가 진행되고 있다.

1)폴리아세틸렌(Polyacetylene)
현존하는 전도성 고분자 중에서 가장 전도도가 높으며, 특히 최근에는 필름의 연신 및 액정을 용매로 한 중합방법을 이용한 배향성 증가를 통해 전도도가 14만7,000S/cm 까지 얻어진다는 결과가 보고됐다. 이는 구리에 비해 무게비로는 10배 이상의 높은 전도도를 갖는 전도성 고분자의 특성을 보인다. 그러나 공기와 접촉 시 수일 내에 변질로 인한 전도도의 감소가 나타나는 단점이 있다.

2)폴리피롤(Polypyrrole)
공명구조가 가능해 공기 중에서 탁월한 산화 안정성을 보이는 전도성 고분자이다. 또한, 전기 화학적 형태로 원하는 양을 쉽게 합성할 수 있는 장점이 있다. 이 경우 전하량 조절을 통해 고분자 필름의 두께를 자유롭게 조절 할 수 있으며 전도도는 비교적 높은 100S/cm를 보인다.

3)폴리아닐린 (Polyaniline)
다른 전도성 고분자와는 달리 pH에 따라 전도도가 변하며, 산화 상태에 따라서 회색에서 짙은 청록색을 나타낸다. 전도성 필름제작은 전기화학적 방법을 이용한 산-염기 평형과 산화-환원 상태에 따라서 4가지의 고분자 구조를 제조할 수 있다. 폴리아닐린은 산화에 의해 얻은 경우보다 전도도가 높고 재현성이 있으며 산화 안정성이 우수하다.

4)폴리페닐렌 (PPS, polyphenylene sulfide)
파라위치에 서로 이웃하고 있는 페닐기들이 약 23°씩 기울어져 있는 형태로 폴리아세틸렌과 같은 평면구조를 갖지 못해 전도도가 매우 낮은 절연체이다.

그러나 AbF 5 로 도핑하게 되면 500S/cm 이상의 전도도를 얻는 것으로 알려져 있다.

폴리아세틸렌에 비해 산화 안정성 및 전기전도도가 높은 특성을 보이지만 제조공정에 따른 재현성이 낮다는 단점이 있다.

5)폴리사이오펜 (Polythiophene)
헤테로 고리계 전도성 고분자로서 사이오펜을 원료로 해 화학적 및 전기화학적 합성으로 제조된다. 특징으로는 도핑된 상태에서도 산화 및 화학안정성이 매우 높고 도핑 레벨이 폴리아세틸렌에 비해 월등히 높아 가역적 산화-환원 반응의 크기를 증가시킬 수 있다.

또한, 폴리페닐렌과 공중합체도 가능해 산화-환원 상태에 따른 전기 화학적 변색을 유도할 수 있다.

6)피닷계 폴리머 (PEDOT)
최근 투명전도성 필름제작을 위해 가공성이 우수하고 열안정성이 좋으며 전기전도성이 높은 특성을 갖는 PEDOP: PSS와 같은 전도성 고분자의 설계 및 합성이 전 세계적으로 진행 중이다.

▲ ▲여러 가지 탄소 동소체. ▲여러 가지 탄소 동소체

◇나노카본소재기반 투명전도성 필름소재
나노카본소재 기반 투명전도성 필름소재는 여러 가지 탄소 동소체 구조를 갖고 광전기적 특성이 탁월한 나노소재로서 탄소나노튜브와 그래핀이 대표적이다.

1)탄소나노튜브(Carbon Nanotube)
탄소원자가 육각링 형태로 배열돼 이루어진 그라파이트 면이 직경 0.7~100nm, 길이 수 nm~수백um 정도로 감긴 가늘고 긴 탐침형태의 원통형 구조를 가지고 있으며, 탄소원자의 육각링들의 배열상태·직경·길이에 따라 다양한 기계적 강도 및 광·전기적 물성을 지니게 된다.

탄소나노튜브는 여러 합성방법과 조건에 따라 구조적으로 한 개의 그라파이트 면이 감겨서 형성된 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nanotube: SWCNT), 세개 이상의 그라파이트 면이 감겨서 형성된 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube: MWCNT)등으로 분류할 수 있다.

특히, 투명전도성 필름소재로 응용할 수 있는 SWCNT는 직경이 ~1nm 이하로 직경이 거의 유사하므로 감긴 형태(Chirality)에 의해 전기적 특성이 결정된다. SWCNT 로프(Rope) 한가닥의 전도도는 1.0~3.0x104S/cm이며, 이를 필름으로 제조할 경우에는 1.3x103S/cm로 보고돼 있다. SWCNT는 MWCNT보다 광·전기적 특성이 뛰어나기 때문에 매우 유용한 투명전도성 필름소재로의 적용이 가능하다.

2)그래핀(Graphene)
그래핀은 탄소원자들이 2차원 상에서 sp2 결합에 의한 벌집모양의 배열을 이루면서 원자 한층의 두께를 가지는 반금속성 나노물질이다. 구조적·화학적으로 매우 안정하며 뛰어난 열전도도와 전기전도도를 갖는 특징이 있다. 또한 원자 하나의 두께를 가지면서도 상대적으로 표면결함이 적고 양자역학적 구조특성으로 인해 매우 우수한 전기적·구조적·화학적 특성을 갖고 있으며 향후 투명전도성 필름을 대체할 수 있는 유망한 나노소재다.

▲ ▲그래핀의 구조 및 박리된 그래핀의 전자현미경 이미지. ▲그래핀의 구조 및 박리된 그래핀의 전자현미경 이미지

■투명전도성 필름소재의 성장성
현재 투명전도성 필름소재에 있어 가장 많이 사용되고 있는 진공증착 ITO는 유리나 고분자 필름에 광학적으로 투명하면서도 전기전도도를 제공하는 산업 표준물질이다. 그러나 ITO 소재는 외부에서 응력(Stress)를 주거나 구부렸을 때 쉽게 파괴되는 문제점과 패턴형성이나 전기회로 구성 시 필수적인 식각에 따른 문제가 발생한다. 또한 고온 증착방법으로 인해 고분자 기판소재에 도입하기 어려운 치명적인 단점이 있다.

한편 금·은·구리 등의 나노금속을 진공 증착하고 플라스틱 기판 위에 박막 코팅해 투명전도성 필름을 구현할 경우 금속 표면의 표면 강도가 약해 마찰저항이 충분치 못하며 기판과의 접착력이 우수하지 못해 전극 기판의 안정성이 취약한 문제점이 있다.

또한 전도성 고분자를 이용해 투명전도성 필름을 구현할 경우 전도성 고분자는 용해도가 낮고 공정이 까다로울 뿐만 아니라 가시광선 파장대의 빛을 흡수하기 때문에 투과도를 높이지 못하는 문제가 있다.

만약 도핑에 의해 전자밀도의 비편재화를 유도할 경우 전도도는 개선되지만 도핑된 고분자의 용해도는 더욱 낮아져서 전도특성과 공정특성의 동시 향상이 어려워지는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하고 더 나아가 다양한 응용분야의 창출을 위해 부각되고 있는 소자가 탄소나노튜브·그래핀과 같은 나노카본재료이다. 탄소나노튜브는 2차원의 흑연층을 말아놓은 구조로 높은 기계적 강도·탄성률·전기전도도·열전도도·내화학성 등 물리·화학적 특성이 뛰어나 다양한 분야에 응용이 가능한 꿈의 소재로 각광받고 있다. 특히 소량으로도 높은 전기전도도와 투명도를 동시에 확보할 수 있어 투명전극의 ITO 대체 물질로 여겨지고 있다.

■투명전도성 필름소재의 역할과 위상
앞에서 언급한 바와 같이 투명 전도성 필름소재의 응용분야는 평판디스플레이·터치패널 등의 디스플레이 산업분야, 유연 디스플레이·투명디스플레이 등의 차세대 디스플레이분야, 태양전지 등의 에너지 산업분야, 스마트윈도우·RFID 등의 전기전자산업분야에 다양하게 걸쳐있다. 특히 다양한 유연 일렉트로닉스 분야에 파급효과가 클 것으로 예상되며 태양전지 산업은 향후 5~10년간 연평균 두 자리 수 이상의 고도성장을 기록할 것으로 기대되고 있는 신 성장 산업이다. 그 응용 분야 또한 우주개발·통신시설·항공보안·주택가전·자동차 등 다양하므로 투명전도성 필름소재의 수요는 급격한 증가가 예상된다.

현재 주로 사용되는 투명전도성 필름 소재인 ITO의 원소재인 인듐 매장량 고갈 문제로 인해 이를 대체할 소재 연구개발이 투명전도성 필름 소재 분야의 뜨거운 이슈로 부각됐으며, 현실적으로 대체 가능한 몇몇 후보군들의 등장으로 연구개발에 한층 가속도가 붙은 상황이다. 특히 그동안 ITO 소재기술의 일본 독점권에서 벗어날 수 있는 절호의 기회로 향후 소재기술 강대국으로의 진출을 위해서 국내 ITO 대체 기술 개발에 온 힘을 집약해야 할 시기이다.

<다음호에 계속>