[논문]플렉서블 디스플레이용 투명전극 제조를 위한 ITO 대체소재 연구동향

김선옥; 최수빈; 김종웅

doi:10.31613/ceramist.2018.21.1.02

플렉서블 디스플레이용 투명전극 제조를 위한 ITO 대체소재 연구동향
Recent research trends of alternative materials to indium-tin-oxide for transparent electrodes in flexible displays 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.1, 2018년, pp.12 - 23

김선옥 (전북대학교 신소재공학부 정보소재공학전공) , 최수빈 (전북대학교 신소재공학부 정보소재공학전공) , 김종웅 (전북대학교 신소재공학부 정보소재공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

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.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 디스플레이용 투명전극 물질로 널리 활용된 ITO의 대체물질로 연구 중인 소재들의 개발 동향에 대하여 리뷰하였다. ITO는 특유의 가시광 투과율과 우수한 전도성으로 인해 투명한 전극을 필요로 하는 대부분의 용도에 사용되어 왔지만, 기계적 유연성을 핵심 특성으로 하는 플렉서블 디스플레이에는 특유의 취성으로 인해 적용되기 어려운 한계를 드러내었다.
그래핀 등 탄소기반 소재는 우수한 물리적 특성을 바탕으로 다양한 적용 사례가 보고되고 있으나, 금속기반 소재에 비해 낮은 전도도가 취약점으로 지적되며, 전도성 고분자 또한 투과율 대비 낮은 전도도 및 특정 파장대의 흡광 등의 문제로 인해 상용화가 지연되고 있는 실정이다. 본 논문에서는 이러한 소재를 디스플레이 관련 소자제작에 적용한 사례들 중 주목할 만한 것들을 소개하고자 한다.
하이브리드 전극의 경우, 기본적으로 긴 나노와이어로 만들어진 Mesh 구조에 짧은 나노와이어로 보완함으로써 전류 전달 경로 확대의 측면에서 효과적이었던 것으로 판단된다. 본 논문은 은 나노와이어 기반의 플렉서블 OLED용 투명전극 제조 시, 명확한 가이드라인을 제시했다는 측면에서 의미가 있겠다.

가설 설정

하부 전극의 경우 전극 상부에 박막이 순차적으로 적층 되기 때문에 전도도-투과율을 제외할 경우 가장 중요한 특성은 평탄한 표면조도이다.⁶⁾ 전극 상부에 증착될 박막의 경우 얇게는 수 나노미터부터 두꺼워도 대개 100 nm를 넘지 않기 때문에, 조도가 거친 전극의 경우 단락을 유발할 가능성이 높기 때문이다. 또한 전류가 전극 면으로부터 균일하게 공급되어야 전류밀도의 국부적 집중을 막아 수명을 늘릴 수 있으므로 균일한 전도도 또한 중요한 특성이라고 할 수 있다.

제안 방법

8에 정리한 그림이 그 예이다.¹⁴⁾해당 논문에서 저자들은 일반적인 2층 기반의 정전용량 방식 터치센서와 유사한 형태의 구조에 그래핀 전극을 적용하였다. 기존 터치센서와 다른 점은 전극이 형성된 기판의 두께가 매우 얇다는 점과(~5 μm) 전극이 그래핀이라는 점 등이다.
이들과는 별개로 OLED의 발광 효율을 향상시키기 위한 방법을 제시한 논문도 있다. Fig. 6에 요약된 논문에 따르면, 짧은 나노와이어와 긴 나노와이어를 합성하여 각각 전극을 만들어 OLED 하부 전극으로써의 성능을 평가하고, 이들을 섞어 하이브리드 전극을 만든 후 그를 기반으로 제작된 OLED와의 발광효율을 비교하였다.¹¹⁾ 그림에서 알 수 있듯이, 짧은 나노와이어 기반 소자의 발광 효율이 가장 낮았으며, 긴 나노와이어를 활용한 경우가 그 다음, 하이브리드 전극의 효율이 가장 높았다.
Fig. 9에 소개한 논문에서 저자들은 결함을 최소화 시킨 그래핀을 합성하고, 그래핀의 일함수를 향상 시켜 플렉서블 OLED 용 양극 전극에 적합하게 제조하였다.

성능/효과

5에 나타난 결과에 따르면, Supporting 기판(유리)을 표면처리 후 나노와이어 전극을 형성하고, 패터닝 후 액상 투명 폴리이미드를 코팅/경화하여 유리로부터 떼어낼 경우, 폴리이미드 표면 하단에 나노와이어가 함침된 형태의 전극을 제조할 수 있다.¹⁰⁾ 이 때 표면조도는 크게 개선되어 RMS 기준 1 nm 수준까지 형성 가능하며, 나노와이어가 기판 표면에 함침된 구조로 인하여 기판에의 접합력 또한 향상되었다. 따라서 플렉서블 OLED용 하부전극용으로 사용 가능할 것으로 판단되어, 실제로 디바이스를 제조한 결과 기계적 유연성/안정성이 크게 향상된 플렉서블 OLED를 달성할 수 있었다고 보고하였다.
검토된 소재들은 각기 분명한 장단점을 가지고 있었으며, 최근 연구 결과들은 이들의 단점을 상당부분 보완하는 수준에 이르렀음을 확인할 수 있었다.
결과적으로 금이 그래핀의 결함에 입자 형태로 환원되어 보강재로 역할을 하게 되면서 전기적 성능의 향상을 가져왔고, 이를 이용해 제조된 OLED 소자의 발광 효율 또한 향상되었다고 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.
논문에 따르면 조도는 약 0.17 nm, 면저항 약 2.1 Ω/cm2, 투과율 약 88.6%를 달성할 수 있었으며, 개발된 전극을 활용하여 플렉서블 OLED 소자 제작에 성공했다고 한다.
4),⁹⁾ 해당 논문에 따르면 은의 Resonance 파장대를 포함하는 빛을 펄스 형태로 높은 파워를 인가하여 은 나노와이어에 조사 시 순간적으로 발열이 되는데, 이 열을 활용하면 표면조도와 기판과의 접착력을 동시에 개선할 수 있다고 한다. 논문에서는 Intense-pulsed-light (IPL)이라는 광원을 이용하여 실험하였고, 결과적으로 약간의 표면조도 개선 및 접착력의 큰 향상을 도출할 수 있었다. 이 전극을 플렉서블 OLED용 하부전극으로 적용하기도 했는데, 미조사 샘플을 이용한 경우보다 누설전류가 다소 감소한 결과를 얻을 수 있었다고 한다.
그래핀은 금속 기반 전극과 달리 표면조도 문제로부터 자유로우며, 면상 전도체이기 때문에 효율 향상을 위한 공정 설계가 한결 여유롭다. 본 논문에서는 해당 소재들을 활용하여 녹색 인광 기준 24.6%의 외부양자효율을 기록할 수 있었다고 한다.
LCD 또한 고분자 기판을 사용할 수는 있지만 Bending 인가 시 액정의 누수가 발생할 우려가 있어서 플렉서블 디스플레이의 형태로 제작하기 어려운 측면이 있다. 퀀텀닷을 발광물질로 활용한 소자 역시 OLED와 유사한 구조로 제작되므로 플렉서블 디스플레이 구현에 적합할 것으로 판단된다. 디스플레이 구동을 위한 Backplane에도 투명전극이 사용될 수 있으며, 디스플레이 관련 부품으로 분류되는 터치센서는 전적으로 투명전극을 이용하여 제작되므로, 크게 보면 발광소자, Backplane 및 터치센서에 투명전극이 사용된다고 볼 수 있다.

후속연구

사실 이와 유사한 Trench 공법은 수년 전에 국내 소재/공정업체를 통해 개발된 사례가 있으나, 나노 imprinting 공법을 통해 선폭을 미세화하고 나노 페이스트를 합성하여 Filling density를 높인 측면에서 의미가 있다. 또한 이러한 구조는 기판과 Mesh와의 접촉 면적을 넓히는데 기여하므로, 장기적으로 플렉서블 디바이스용 전극으로도 활용 가능할 것으로 판단된다.
특히 금속 Mesh와 은 나노와이어 관련 연구결과는 이미 양산화를 검토해볼 수 있는 단계에 다다르고 있었으며, 생산 단가 문제가 해결된다면 바로 적용 가능할 수도 있을 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO란?	현재까지 이들 소자에 적용된 투명전극 물질은 거의 대부분 인듐주석산화물 (Indium tin oxide: ITO)이었다. ITO는 인듐산화물에 주석산화물을 첨가하여 전도성을 향상시킨 물질로, 유리 기판에 스퍼터링하여 증착한 ITO를 결정화 처리할 경우 90% 이상의 가시광 투과율과 10 Ω/cm2 대의 면저항을 동시에 나타낼 정도로 우수한 전기전도도와 광투과율을 보여준다.1-5) 디바이스 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나가는 경로에 있는 전극은 높은 전기전도도와 더불어 우수한 광투과율을 가져야 하므로, ITO는 LCD(Liquid crystal display), OLED (Organic light emitting diode) 및 터치센서 등 디스플레이 소자 대부분에 사용되어 왔다.
	ITO의 한계점은?	1-5) 디바이스 내부에서 발생한 빛이 외부로 빠져나가는 경로에 있는 전극은 높은 전기전도도와 더불어 우수한 광투과율을 가져야 하므로, ITO는 LCD(Liquid crystal display), OLED (Organic light emitting diode) 및 터치센서 등 디스플레이 소자 대부분에 사용되어 왔다. 그러나 ITO는 산화물 특유의 기계적 취성을 가지고 있어, 기계적 유연성을 대표적 특성으로 취성을 가지고 있어, 기계적 유연성을 대표적 특성으로하는 플렉서블 디스플레이에는 적합하지 않다고 알려져 왔다. 최근 비정질 ITO를 비롯하여 유연성을 대폭 향상시킨 ITO가 보고된 바 있으나, 궁극적으로는 유연성을 갖춘 대체소재 개발이 필요할 것이라는 전제 하에 다양한 소재가 연구되고 있다.
	Mesh 금속의 시인성 문제를 해결하기 위한 방법은?	그러나 금속 Mesh는 금속 선들 사이의 절연층 면적이 넓어 균일한 Carrier 전달 특성을 요구하는 디바이스용 전극으로는 적합하지 않다는 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 상용화 빈도를 높이고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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