플렉시블 디바이스…
기판 기술과 대체 소재 확보가 해답

플렉시블 디바이스란 일반적으로 고분자·유기물 기판 위에 투명전극이나 박막 트랜지스터와 같은 무기물 기반 소자나 박막이 형성돼 있는 형태의 필름을 의미한다. 최근 기존 플렉시블 기판의 단점을 보완한 금속과 유리 기반 기판이 등장하고, 투명전극 주요 소재인 인듐을 대체 및 저감할 기술들이 개발되고 있다. 이와 관련, 홍성제 전자부품연구원 디스플레이부품소재연구센터 수석연구원의 발표 내용을 담았다.



플렉시블 기판

플렉시블 기판은 유리천이온도(Tg)가 200℃ 이상이어야 하고, 열팽창계수는 50ppm/℃ 이하여야 한다. 또한 90% 이상의 광 투과율과 산·알칼리 등에 견딜 수 있는 내화학성을 필요로 한다. 투습율과 투산소율도 일정 수준을 요구한다(표 1).



플렉시블 기판은 기본적으로 단면 또는 양면으로 Hard coating이 된 Base film 위에 Barrier coating이 되어 있는 구조이며, 각 층의 재질, 개수, 두께 등은 필름 및 제조사에 따라 다르다. 고분자 또는 유기물 기반의 플렉시블 기판은 Thermoplastic Semi-crystalline Film과 Thermoplastic Amorphous Film으로 나눌 수 있다. Thermoplastic Semicrystalline Film은 Tg가 약 80∼120℃인 필름을 뜻하며, PET(Polyethylene Ere-phthalate), PEN(Polyethylenena-phthalate) 등이 이에 해당한다.
PET film의 경우 용융온도(Tm)가 낮아 공정이 용이하고, 제조비용이 저렴하며, 내화학성이 우수하고, 흡습성이 낮다는 장점이 있으나 열적 안정성이 취약하고, 광학적 이방성이 있으며, 150℃ 이상에서 화이트닝 현상이 일어나 광 투과율이 저하되는 단점이 있다. PEN film은 가격과 열팽창계수가 낮은 것이 장점이나, 광학적 이방성이 있고 열안정성이 낮다.
Thermoplastic Amorphous Film는 Tg가 150℃ 이상이고 내화학성이 비교적 약해 Barrier Coating이 필요하며, PC(polycarbonate), PES(Polye-thersulfone), PI(Polyimide), PAR (Polyarylate) 등이 속한다.
PC film은 광학적·기계적 특성이 우수하나, 내화학성이 취약하여 감광제, 식각액 등 화학약품의 사용이 제한적이고 내화학층이 필요하다. 또한, 열팽창계수가 무기물의 약 10배 정도로 크고 공정온도가 150∼180℃로 제한돼 있다.
PES film의 경우, 공정 온도가 180℃로 비교적 높은 것이 장점이나, ketone계 용매에 대한 내화학성이 취약하고 흡습성이 커서 장시간 보관 시 탈수공정이 필요하다는 단점이 있다.
또한, 단가가 높고 원료공급처가 제한적이다.
PI film은 내화학성, 내열성, 절연성 등이 우수한 반면 흡습력이 커서 공정 중 탈수과정이 필요하다.
최근 금속과 유리 기반의 플렉시블 기판이 등장해 기존 플렉시블 기판의 단점을 보완하고 있지만 한편으로는 디바이스 적용에 한계를 보이고 있다. 플렉시블 금속 기판은 Gas Barrier층이 필요 없고 400℃ 수준 고온 공정이 가능하다는 장점이 있으나, 불투명하고 표면 거칠기가 상대적으로 높아 사용이 제한적이다.
또한, 플렉시블 유리 기판의 경우 고분자 기반 필름보다 내열성이 우위이고 600℃까지 고온 공정이 가능하며, 산화물과 열팽창계수의 차이가 낮다는 특징을 지닌다. 그러나 고분자 필름보다 내충격성이 약하고 플렉시블에 한계가 있다.

플렉시블 디바이스용 투명전극

기판 위에 투명전극이 형성돼 플렉시블 투명전극 필름을 제조한다.
투명전극이란 투명한 재질의 절연체 표면에 투명성을 유지하면서 도전성을 부여하는 박막 전극으로, 주로 디스플레이, 태양전지, 조명 및 터치스크린 등에 사용된다.
투명전극의 주요 소재는 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide)이다. 투명하면서도 전극으로서 사용이 가능한 ITO는 산화 인듐(In₂O₃) 격자에 주석(Sn)이 도핑돼 전기운반자(Carrier)를 형성한다.
일반적으로 ITO 내에서 인듐과 주석의 비율은 약 90 : 10 으로 구성된다. ITO 투명전극의 전도 메커니즘은 전하의 재결합 및 이동에 따라 이루어진다.
따라서 금속 전극과는 달리, 투명전극의 전기 전도도는 적절한 운반자 농도 하에서 온도 상승에 비례하여 증가한다.
ITO는 박막 상태에서 전기적 전도 및 광학적 투과 특성을 나타낸다. ITO 박막의 두께가 증가할수록 전기 전도도는 증가하지만 광 투과율은 감소하고, 반대로 ITO 박막 두께가 감소할수록 전기 전도도는 감소하지만 광 투과율은 증가한다. 이러한 ITO 투명전극 전기 전도도의 균일성을 유지하기 위해서는 ITO 조성을 균일하게 제작해야 한다.
그러나 희귀금속인 인듐(In)은 높은 비용과 제한된 매장량 등으로 향후 십수 년 내에 고갈이 예측돼 투명전극 소재 확보에 대한 관심이 증가하고 있다(그림 1).



In 저감 및 대체 기술은 In을 저감하거나 대체하면서도 성능 및 신뢰성 저하를 최소화해야 한다. 때문에 In 저감 및 대체 기술은 새로운 조성을 설계·제조하는 측면과 공정에서 In 손실을 줄이는 측면으로 개발되고 있다.
이러한 In 저감 조성에서 가장 중요한 조건 중 하나는 저감에 따른 물성 및 특성의 저하를 최대한으로 보상하는 것이다. In 대체 조성과 관련해서도 AZO, GZO, NTO, FSO, CNT, PEDOT 등 다양한 소재를 이용한 연구가 진행되고 있다. 연구의 주요 이슈는 조성의 최적화, 균일 분산 미립자, 안정성, 신뢰성이다.
이와 함께 공정 측면에서도 In을 저감 또는 대체하는 기술에 대한 연구가 진행되고 있는데  그 중 하나로 ITO 잉크 등을 이용한 직접 프린팅 기술을 들 수 있다.
직접 프린팅이란 기존에 사용되는 진공 증착 및 사진 식각 공정 등을 거치지 않고 프린팅에 사용되는 잉크 소재를 기판 위 원하는 위치에 직접 토출함으로써 원하는 모양의 배선 회로 등을 제조하는 기술이다(그림 2).



ITO의 직접 프린팅을 위해서는 ITO 나노 분말 잉크가 필요하다. ITO 나노 분말 잉크는 분말이 잉크 용매 내에 분산돼 있어 프린팅과 후 열처리를 통해 원하는 패턴을 제작할 수 있다. 미세한 패턴을 제작하려면 나노 입자의 크기가 초미세급으로 작고 균일해야 하기 때문에 ULVAC에서는 가스중 증발법을 이용해 10㎚ 이하의 ITO 나노 입자 잉크를 제조하고 있다(그림 3).



이를 이용해 균일한 박막을 제작할 수 있다. 도호쿠대학도 기업과 함께 ITO 나노 분말 및 잉크에 대한 연구를 진행하고 있다. 국내에서는 전자부품연구원이 저온 합성법이라는 습식 합성법을 이용해 10㎚ 이하의 균일한 ITO 나노 입자와 잉크를 만들고, 직접 프린팅을 통해 투명전극 박막을 제조했다.
저온 합성법이란 기존의 습식 공정에서 사용되는 Cl^- 및 NO₃^- 성분을 제거해 후처리 온도를 기존의 50% 이하로 낮춘 합성 기술이다. 특히 유해 성분을 사용하지 않으므로 폐수가 발생하지 않고 공정수도 기존보다 단축된다는 장점을 가진다. 후처리 온도를 300℃로 낮춤으로써 비표면적 90m²/g 이상의 초미세급 ITO 나노 입자를 제조할 수 있고, 이를 이용해 양호한 수준의 투명전극 막을 제조할 수 있다.
최근 ITO 잉크와 Ag 나노선의 하이브리드 층 구조 투명전극 막이 개발됐다. 100℃의 낮은 온도에서 공정을 진행할 수 있어 PET와 같은 고분자 기반 플렉서블 필름에서도 공정을 충분히 진행할 수 있다.
이와 같은 공정으로 제조된 투명전극 막의 면 저항은 약 26 Ω/□, 광 투과율은 air 기준 87.6%로 우수한 성능을 보인다. 특히, 4㎜ 벤딩 시에도 저항 변화율이 극도로 미미해 안정된 특성을 나타낸다.

이솔이 인턴기자(npnted@hellot.net)