이건웅 박사팀, 투명전극 제조용 일액형 코팅액 개발

기존 제조기술 단점 보완, 탄소나노튜브 투명전극 제조에 획기적 전기 마련

하나의 코팅액에 탄소나노튜브, 결합물질 등 5개 이상 성분 안정화 이뤄

습식공정 이용, 공정단가 50%이상 절감 및 투명 고전도성 초박막 제조 가능

각 성분 농도조절 따라 다양한 변환 용이..디스플레이산업 전반 다각적 활용 가능

컴퓨터나 휴대전화의 액정 패널, IT기기 터치스크린 등 첨단 디스플레이 산업의 핵심소재인 투명전극을 하나의 코팅액을 이용해 제조함으로써 공정단가의 대폭적인 절감, 공정 효율 및 적용 범위의 향상 등을 가능케 한 획기적 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국전기연구원(원장 박동욱 www.keri.re.kr) 이건웅 박사팀은 최근 자체 기본연구사업을 통해 초박막 제조가 가능하고 공정단가를 획기적으로 낮출 수 있는 탄소나노튜브 투명전극 제조용 일액형(一液形) 코팅액을 세계최초로 개발했다고 밝혔다.

그 동안 투명전극 제조를 위해선 ITO(Indium Tin Oxide, 산화인듐주석, 각종 평판 디스플레이의 투명전극 소재)가 많이 이용돼 왔다. 그러나 기존의 ITO를 이용할 경우 고온·고압에서 물리적 증착을 통해서만 투명전극의 제조가 가능해 구부릴 수 없는 등 활용도가 떨어지는 단점을 갖고 있으며, 그 대안으로 탄소나노튜브(CNT)가 대체 물질로 주목받고 있다.

기존 탄소나노튜브 투명전극 제조기술은 유리 또는 고분자(폴리머) 기판 위에 탄소나노튜브만을 단독 코팅하거나 바인더(결합물질)와 탄소나노튜브를 분리하여 다중(多重) 코팅하는 방식이 주를 이루고 있다. 그러나 다중 코팅에 따른 공정의 복잡함은 물론, 기판과 탄소나노튜브 층 사이의 접착력이 부족하여 쉽게 탈착되는 등의 치명적인 단점을 갖고 있어 상업화에 걸림돌이 되고 있는 상황이다.

그 대안으로서 이건웅 박사팀이 개발한 방법은 탄소나노튜브, 용매, 바인더, 안정제, 균일제 등 5개 이상으로 구성된 성분들을 포함하는 하나의 코팅액(일액형 코팅액)을 제조, 활용하는 방식이다. 일액형 코팅액을 개발하기 위해서는 나노튜브의 정제 및 고농도 분산과 용액 내 분산 안정화 기술, 각 성분들간의 용액상 평형 유지 등 재료설계 기술의 해결이 필수적이다. 예를 들면 탄소나노튜브 순수용액에 하나의 성분이 추가되면 탄소나노튜브 안정화가 쉽게 깨지기 때문에 5개 이상의 각 성분들간의 안정화 기술이 최대의 난제였다. 한국전기연구원은 연구원내 습식공정을 위한 청정실(클린룸)을 별도 설치하고 전문연구랩을 별도 운영하는 등 첨단 핵심 기술의 개발을 위해 적극적으로 투자한 결과, 탄소나노튜브를 이용한 투명전극 제조방법으로는 가장 앞선 기술로 평가받는 일액형 코팅액 제조기술을 세계 최초로 개발하는 쾌거를 거두었다.

이 기술은 일액형 코팅액을 사용함으로써 공정의 단순성과 기판과의 접착성을 동시에 해결하는 획기적인 방법이다. 한 번의 습식코팅만으로 10-100nm(나노미터) 수준의 초박막 투명전극 제조가 가능하기 때문에 공정단가를 50% 이상 절감할 수 있으며, 대(大)면적 코팅이나 유연한 고분자 기판 위의 성형이 가능하다. 또한 박막에 함유된 나노튜브의 양을 극소화하여 재료단가도 절감 할 수 있어 대체수요가 높을 것으로 예상된다.

아울러 일액형 코팅액은 각 성분의 농도조절에 따라 투명전극 제조를 위한 스프레이 코팅액, 롤 코팅(roll to roll coating)이 가능한 페이스트(paste), 패터닝(patterning)이 가능한 잉크젯용 잉크 등으로의 변환이 용이하다는 점도 큰 장점이다.

이건웅 박사는 "이번에 개발된 기술은 향후 ITO를 대체하는 디스플레이용 투명전극, 터치스크린 패널, 간편하게 휴대가 가능한 플렉시블 디스플레이, 태양전지 등의 각종 유연(flexible) 전극으로 활용할 수 있다"며, "정전기 방지용 정전분산 필름 및 트레이, 전자파 차폐 필름, 자동차의 열선(熱線) 유리 등에 쓸 수 있는 투명히터, 스마트 윈도우, 각종 센서 등에도 다각적 활용이 가능하다"고 설명했다.

이 박사팀은 국내 및 미국, 유럽, 일본 등 주요국에 관련 기술에 관한 특허 출원을 완료했다. 아울러 정전분산 필름 및 투명 전도성 기능성 코팅 기술 및 터치스크린 패널용 투명전극에 대한 세부기술을 완료하고 관련기업으로의 기술이전을 검토하고 있다.

한편, 지식경제부는 2015년까지 10억달러 이상의 세계시장에서 점유율 3위 이상을 목표로 하는 GLT(Global Leading Top) 소재 확보를 위한 핵심기술 개발 계획을 진행중이다. 10대 GLT에는 △투명전극 △액정편광필름 △플렉시블 디스플레이소재(이상 차세대 디스플레이) △차세대 구조용 강재 △내진내열합금(이상 초고층 빌딩) △3차원집적 세라믹 소재 △초경량 마그네슘합금(이상 미래형 자동차) △연료전지전극 소재 △고체전해질 △저온고전도 소재(발전용 연료전지 시스템) 등이 포함돼 있다. 지식경제부의 추산에 따르면 전도성 필름의 국내 시장 규모는 약 2조 4천억원, 전세계 시장은 약 15조원에 달한다.

[용어설명]

일액형(一液形) 코팅액(One-component Solution): 이질적인 다양한 성분들을 하나로 통합하고 안정화를 이루어 그 사용과 응용을 편리하게 한 코팅 솔루션(액체).

탄소나노튜브(carbon nanotube): 탄소들이 벌집처럼 연결돼 다발형태를 이룬 것으로 지름이 1나노미터(10억분의 1m) 단위로 머리카락의 10만분의 1에 불과하다. 구리보다 전기를 1,000배나 잘 흘리고 강철보다 100배나 강해 다양한 전기전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.

바인더(binder): 투명전극 제조공정에서 투명 기판 위에 탄소나노튜브를 결합시키기 위한 물질.

2008. 3. 21

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