[논문]메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이에 관한 연구

황인관; 노수성

doi:10.5392/jkca.2015.15.10.010

메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이에 관한 연구
Research on Transparent LED Display with Use of Metal Mesh 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.15 no.10, 2015년, pp.10 - 17

황인관 (성균관대학교 U-City공학과) , 노수성 (성균관대학교 휴먼ICT융합학과)

초록
AI-Helper

투명 LED 디스플레이는 정보제공 서비스 및 경관연출 등을 통하여 도시민에게 다양한 볼거리를 제공하고 있으며 다양한 분야에서 수요가 증가하고 있다. 지금까지 투명전극 소재로서 ITO가 가장 많은 비중을 차지하며 사용되어 온 것은 사실이나, 경제성, 제한적 성능 등 한계로 인하여 새로운 소재를 활용한 연구와 기술개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 그 중 메탈메쉬는 ITO를 대체한 물질의 85%를 차지하는 신소재로서 저비용 고전도도를 갖고 있어 그 활용도가 높으며, 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이는 기존 ITO 투명 디스플레이보다 유지보수가 용이하고, 자원절약뿐만 아니라 경제적이다. 따라서 본 연구는 투명 LED 디스플레이 기술의 경제적인 활용 및 시장 확대가 가능할 수 있도록 메탈메쉬를 활용한 LED 투명 디스플레이 Prototype을 제안하는데 목적이 있다. 이에 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이 개발 방법을 제시하고 이를 기반으로 Prototype을 제작하였으며, ITO와 메탈 메쉬의 특성비교 실험을 통해 투명 LED 디스플레이 개발에 있어 투명전극소재로 메탈메쉬의 활용 가능성을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Transparent LED display is providing city residents with different attractions via information services and landscape and increasing demand is detected in various areas. It is true that majority of the current demand in transparent electrode material was found and used in ITO but limitations in capacity and economic efficiency led to the need for continuous research and technology development via new materials. As a new material, metal mesh has 85% of the materials to substitute ITO and is widely used due to low-cost and high-conductive rate. Maintenance of transparent LED display utilizing metal mesh compared to existing ITO transparent display is much easier as it not only saves resources but is also economical. Thus the objective of this paper lies in proposing the utilization of metal mesh in transparent LED display prototype to enable economical use of transparent LED display technology and to expand the market and to also propose transparent LED display development method via metal mesh and manufacture a prototype based on the method. And a characteristic comparison test between ITO and metal mesh provides the possibility of using metal mesh as a transparent electrode material in transparent LED display development.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구는 투명 LED 디스플레이 기술의 경제적인 활용 및 시장 확대가 가능할 수 있도록 메탈메쉬를 활용한 LED 투명 디스플레이 Prototype을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 도시의 경관 연출 및 미디어파사드 구현에 기존 ITO투명전극소재 활용에 따른 문제점을 고찰하고 이를 효율적으로 대체할 수 있는 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이를 제시하였다. 투명 LED 디스플레이는 첨단ICT 기술과 LED 기술의 융합으로써 다양한 정보제공 서비스 및 경관연출 등을 통하여도시민에게 다양한 볼거리를 제공하고 있다.
본 연구에서는 투명 LED 디스플레이에 있어 고비용의 투명전극소재인 ITO를 대체하기 위하여 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이를 다음과 같이 연구하였다. 첫째로, 투명전극인 ITO의 활용 현황과 투명 LED 디스플레이에 적용에 따른 문제점을 고찰한다.

제안 방법

투명 LED 디스플레이 패널은 [그림 8]과 같이 BackCover Glass, Metal Mesh 투명 LED PCB, Front Cover Glass로 구성된다. Back Cover Glass에 투명 회로 패턴과 LED가 부착된 Metal Mesh 투명 LED PCB를 부착하고 앞면에는 Front Cover Glass를 사용하여 Metal Mesh 투명 LED PCB가 보호되도록 하였다.
또한, 패턴 PR-PET 기판 위의 전극 매개체는 Agnanopaste를 사용하고, Ag 코팅을 닥터블레이드로 한다. LED가 부착되는 부분은 LED리드프레임과 메탈메쉬의 부착이 용이하도록 메탈메쉬를 활용한 투명전극 층의 넓이를 120um로 Pattern을 형성하여 LED 실장시 납땜이 잘 이루어지도록 하였다.
PEN 기반 ITO 및 메탈메쉬 필름은 위치별 비저항(면저항; Sheet resistance, ohm/sq)을 측정하기 위해 40mm(가로) x 65mm(세로)의 크기로 잘라 4pointprobe을 사용하였다. [그림 11]은 ITO 및 메탈메쉬의 비저항을 측정하는 것을 나타낸다.
PEN필름 기판 상에 제조된 ITO 및 메탈메쉬은 미세구조와 원소정보를 관찰하기 위해 SEM 및 EDS의 분석을 실시하였다. 도1은 ITO와 메탈메쉬에 있어 SEM 기기를 활용하고 전도성 시료에 주사하여 시료의 미세구조를 분석을 하였으며 EDS기기를 통해 시료의 미세구조 분석과 함께 시료 표면의 원소정보를 대략적인 정량 및 정석 분석을 진행하고자 하였다.
PEN필름을 기반으로 제조된 ITO 및 메탈메쉬는 가시광 영역의 파장에 따른 투과도를 측정하기 위해 UV-VIS 분석을 하였다. [그림 10]은 PEN기판 위에 형성된 ITO 및 메탈메쉬를 Air를 바탕으로 한 UV-VIS로 투과도를 측정한 결과를 나타낸다.
[그림 6]과 같이 투명전극층에 120um로 넓게 형성된 회로 Pattern위에 LED를 실장하여 실장 패드가 LED에 가려져 보이지 않도록 하였다. Prototype은 메탈메쉬를 활용한 투명전극층에 LED를 실장하여 하트모양으로 구현하였다. LED는 3.
[그림 7]의 LED 실장 도식화는 앞 장에서 설명한 메탈메쉬 투명 전극층 패턴 구현 방법을 통해 투명 전극이 형성된 기판위에 LED를 실장한 형태이다. [그림 6]과 같이 투명전극층에 120um로 넓게 형성된 회로 Pattern위에 LED를 실장하여 실장 패드가 LED에 가려져 보이지 않도록 하였다. Prototype은 메탈메쉬를 활용한 투명전극층에 LED를 실장하여 하트모양으로 구현하였다.
메탈메쉬를 활용한 투명 전극 LED 디스플레이의 회로 설계는 ITO의 패턴 설계 후 LED 실장을 통해 투명 LED Display를 구현하는 것과 달리 기존 PCB의 회로 방식으로서 [그림 5]와 같이 회로설계를 하였다. 그리고 Prototype 제작이 용이하도록 단색 LED를 적용할 단층의 회로 설계방식으로 설계하였다. 전원(+)단자를 공통단자로 하여 상시 전원이 흐르도록 하였으며 달린턴 트랜지스터를 사용하여 여러개의 LED 전류 제어가 가능하도록 하였다.
PEN필름 기판 상에 제조된 ITO 및 메탈메쉬은 미세구조와 원소정보를 관찰하기 위해 SEM 및 EDS의 분석을 실시하였다. 도1은 ITO와 메탈메쉬에 있어 SEM 기기를 활용하고 전도성 시료에 주사하여 시료의 미세구조를 분석을 하였으며 EDS기기를 통해 시료의 미세구조 분석과 함께 시료 표면의 원소정보를 대략적인 정량 및 정석 분석을 진행하고자 하였다.
첫째로, 투명전극인 ITO의 활용 현황과 투명 LED 디스플레이에 적용에 따른 문제점을 고찰한다. 둘째로, 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이 개발 방법을 제시하고 이를 기반으로 Prototype을 제작하였다. 셋째로, ITO와 메탈 메쉬의 특성비교 실험을 통해 투명 LED 디스플레이 개발에 있어 투명전극소재로 메탈메쉬의 활용 가능성을 제시 하였다.
전원(+)단자를 공통단자로 하여 상시 전원이 흐르도록 하였으며 달린턴 트랜지스터를 사용하여 여러개의 LED 전류 제어가 가능하도록 하였다. 또한 FPCB를 사용하여 회로패턴을 메탈투명전극층 회로패턴과 외부 컨트롤러와 연결 하도록 하여 동작이 가능하도록 하였다.
메탈메쉬를 활용한 투명 전극 LED 디스플레이의 회로 설계는 ITO의 패턴 설계 후 LED 실장을 통해 투명 LED Display를 구현하는 것과 달리 기존 PCB의 회로 방식으로서 [그림 5]와 같이 회로설계를 하였다. 그리고 Prototype 제작이 용이하도록 단색 LED를 적용할 단층의 회로 설계방식으로 설계하였다.
그리고 Prototype 제작이 용이하도록 단색 LED를 적용할 단층의 회로 설계방식으로 설계하였다. 전원(+)단자를 공통단자로 하여 상시 전원이 흐르도록 하였으며 달린턴 트랜지스터를 사용하여 여러개의 LED 전류 제어가 가능하도록 하였다. 또한 FPCB를 사용하여 회로패턴을 메탈투명전극층 회로패턴과 외부 컨트롤러와 연결 하도록 하여 동작이 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 투명 LED 디스플레이에 있어 고비용의 투명전극소재인 ITO를 대체하기 위하여 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이를 다음과 같이 연구하였다. 첫째로, 투명전극인 ITO의 활용 현황과 투명 LED 디스플레이에 적용에 따른 문제점을 고찰한다. 둘째로, 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이 개발 방법을 제시하고 이를 기반으로 Prototype을 제작하였다.

대상 데이터

Prototype은 메탈메쉬를 활용한 투명전극층에 LED를 실장하여 하트모양으로 구현하였다. LED는 3.5mm✕2.8mm size로서 단색의 White Chip LED를 메탈메쉬의 투명전극 회로 Pattern에 실장 하였으며, 정격전압 DC3.3v의 3A SMPS를 사용하여 구동하였다. 구동 결과 전체적으로 고르게 빛이 나오는 것을 확인할 수 있었다.
투명 LED 디스플레이 패널은 [그림 8]과 같이 BackCover Glass, Metal Mesh 투명 LED PCB, Front Cover Glass로 구성된다. Back Cover Glass에 투명 회로 패턴과 LED가 부착된 Metal Mesh 투명 LED PCB를 부착하고 앞면에는 Front Cover Glass를 사용하여 Metal Mesh 투명 LED PCB가 보호되도록 하였다.

성능/효과

[그림 11]의 (a)와 (b)에서 보여주듯이 ITO 및 메탈메쉬의 비저항이 14개의 포인트들을 기준으로 측정되었다. PEN에 코팅된 ITO은 메탈메쉬보다 약간 어두운 외관을 확인하였다. (c)는 ITO 및 메탈메쉬의 비저항의 측정데이터이며, ITO의 비저항 값은 측정 포인트들에 따라 낮게는 73Ω/᨜ 높게는 300Ω/᨜로 227Ω/᨜의 큰 차이 값을 나타내었다.
350nm의 파장에서 ITO 및 메탈메쉬의 투과도가 PEN기판의 흡수에 의해 줄어든다. 또한, 메탈메쉬의 투과도는 ITO의 보다 5 내지 10%정도 높은 투과도를 나타냈다. 이는 단위 정사각형마다 1.
메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이는 기존 ITO 투명 Display보다 유지보수가 용이하고, 자원절약 환경오염방지를 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제조원가 절감으로 경제적이다. 또한 다양한 용도로 확대 적용이 가능하여 새로운 투명전극 소재로서 다양한 제품에 적용 및 활용에 가능성을 갖고 있다.
반면, 메탈메쉬는 10Ω/᨜를 기준으로 ±5Ω/᨜가 측정되며, ITO보다 비저항이 낮고 균일성이 높았다.
본 연구의 결과에서도 나타난 바와 같이 메탈메쉬는 ITO보다 비저항이 낮고 균일성이 높다. 이러한 메탈메쉬의 균일하고 낮은 비저항의 특징은 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이의 확산 가능성을 보여준다.
둘째로, 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이 개발 방법을 제시하고 이를 기반으로 Prototype을 제작하였다. 셋째로, ITO와 메탈 메쉬의 특성비교 실험을 통해 투명 LED 디스플레이 개발에 있어 투명전극소재로 메탈메쉬의 활용 가능성을 제시 하였다.

후속연구

반면 ITO Film의 불균일한 비저항으로 인해 구동되는 LED 소자는 균일한 밝기뿐만 아니라 소자에 손상을 초래할 수 있다. ITO와 같은 고가의 원료 물질이 사용되지 않고, 비교적 경제적인 Ag가 사용되는 메탈메쉬는 금속 전도체를 극소량 사용하여 투명전극을 제작하기 때문에 균일하고 낮은 비저항의 특징을 갖으며, 향후 이러한 메탈메쉬를 활용한 투명 LED 디스플레이에 적용이 기대된다.
본 연구에서 도출한 메탈메쉬의 고성능 저비용 특성을 잘 활용하여, 향후 다양한 Application과의 연계를 통한 정보의 수·발신, 미디어파사드, 웨어러블 제품에 적용 등 인터렉티브한 환경의 추세와 변화하는 기술에 유연하게 대응 가능한 다양하고 구체적인 융·복합 연구가 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투명 LED 디스플레이 시스템은 무엇으로 구성되는가?	투명 LED 디스플레이 시스템은 기본적으로 LED의 색 제어를 통한 투명LED 디스플레이 패널, 메인콘트롤러, 콘텐츠서버로 구성된다. 콘텐츠 서버의 다양한 콘텐츠정보를 메인콘트롤러에 전송하면 메인콘트롤러는 이를 RGB의 색과 전류제어를 통해 투명LED 디스플레이패널에 정보를 표출하게 된다.
	현재 가장 많이 사용하는 투명전극은 무엇인가?	투명하면서도 전기가 흘러 터치스크린 등에 사용되는 투명전극은 스마트기기가 보급되면서 그 수요가 폭발적으로 늘어났으며1 그중 가장 많이 사용하는 투명전극은 인듐과 주석의 산화물인 ITO(Indium Tin Oxide) 이다[2]. 그러나 ITO 투명전극 소재의 주원료인 인듐은 전 세계적으로 매장량이 많지 않고, 중국 등 일부 국가에서만 생산되고 있으며 생산비용이 고가이다.
	ITO를 활용한 투명 LED가 고성능 저비용의 투명전극 소재로 활용되기에 한계가 있는 이유는 무엇인가?	투명하면서도 전기가 흘러 터치스크린 등에 사용되는 투명전극은 스마트기기가 보급되면서 그 수요가 폭발적으로 늘어났으며1 그중 가장 많이 사용하는 투명전극은 인듐과 주석의 산화물인 ITO(Indium Tin Oxide) 이다[2]. 그러나 ITO 투명전극 소재의 주원료인 인듐은 전 세계적으로 매장량이 많지 않고, 중국 등 일부 국가에서만 생산되고 있으며 생산비용이 고가이다. 또한, 저항값이 일정하게 적용되지 않아 표출되는 LED 불빛이 일정하지 않다는 단점을 갖고 있다. 이로 인해 ITO를 활용한 투명 LED는 고성능 저비용의 투명전극 소재로 활용하기에는 한계가 있다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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충청지역사업평가원, 나노융합소재 기술동향보고서, 2013

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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