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투명하고 유연한 전극 소재인 ‘은 나노와이어(silver nanowire)’의 상용화가 앞당겨질 전망이다. 산업에서 쓰이는 코팅 공정을 적용해 대면적으로 은 나노와이어를 정렬시키는 기술이 개발된 덕분이다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 고현협 교수팀은 미국 듀크대의 스테픈 크래익(Stephene L. Craig) 교수팀과 공동으로 대면적으로 교차 정렬된 은 나노와이어 투명전극으로 이뤄진 ‘플렉시블 역학변색형 압력감지 터치스크린’을 개발했다. 이 터치스크린은 누르는 힘의 위치뿐 아니라 강도까지 감지할 수 있는 3차원 압력 센서를 기반으로 한다. 특히 사용자가 누르는 강도와 필기 패턴까지 인식해 색깔 진하기로 나타낼 수 있는 기술로 주목받고 있다. 플렉시블 역학변색형 압력감지 터치스크린은 대면적으로 교차 정렬된 은 나노와이어(silver nanowire) 기반의 투명전극과 힘을 받으면 색깔이 변하는 역학변색형(mechanochnromic) 고분자를 결합한 구조다. 은 나노와이어는 단면 지름이 나노미터(㎚) 단위인 아주 작은 선(線)이다. 이 물질은 유연하면서 전도성이 뛰어나 투명전극의 재료로 각광받는다. 하지만 은 나노와이어를 제어하기가 까다로워 대면적으로 균일한(uniform) 필름을 만들기는 어려웠다. 고현협 교수팀은 이런 한계를 극복하기 위해 산업계 인쇄 공정에서 널리 이용되는 ‘바 코팅 방법’으로 은 나노와이어를 규칙적으로 교차 정렬시키는 기술을 개발했다. 이 기술로 만든 가로세로 각 20cm인 대면적 은 나노와이어 기반 투명전극은 전기가 잘 통하고 투명하며, 매끄러운 표면을 가진다. 이번 연구를 주도한 조승세 UNIT 에너지 및 화학공학부 석‧박사통합과정 연구원은 “기존 기술은 나노와이어 투명전극 제조법은 무질서하고 불균일한 필름을 만드는 데 그쳤고 대면적화도 어려웠다”며 “이번 기술은 상용화된 바 코팅 기술을 응용해 대면적 은 나노와이어 필름을 쉽고 빠르게 제조할 수 있다”고 설명했다. 역학변색형 고분자는 사용자가 누르는 힘을 감지해 색깔 진하기로 구분할 수 있다. 이를 터치스크린에 적용하면 기존 저항막 방식의 터치스크린이 위치만 표시하는 한계를 뛰어넘을 수 있다. 사용자가 터치스크린을 누르는 강도에 따라 변하는 색깔 진하기를 정밀하게 분석하면, 누른 위치와 강도를 동시에 인식할 수 있기 때문이다. 공동 제1저자인 강세원 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사과정 연구원은 “사람이 터치스크린에 글씨를 쓸 때 누르는 접촉강도를 정밀하게 인식해 사람마다 다른 필기 패턴을 분석할 수 있다”며 “3차원 압력 감지를 통해 새로운 개념의 기계-사람 간 인터페이스 구현이 가능할 것”이라고 기대했다. 고현협 교수는 “바 코팅에 기반한 대면적 은 나노와이어 정렬 기술은 산업계에서 겪고 있는 은 나노와이어 투명전극의 한계를 획기적으로 극복한 만큼 상용화를 앞당길 원천기술이 될 것”이라며 “누르는 힘과 위치를 동시에 인식하는 3차원 터치스크린 개발은 중요한 미래 기술이 될 것”이라고 전망했다. 이번 연구 성과는 나노공학 분야의 세계적 국제 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 최신호에 발표됐다. 연구 수행은 미래창조과학부 중견연구자지원사업(도약과제), 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단), 바이오닉암 메카트로닉스 융합기술개발사업, 산업통상자원부 산업소재핵심기술개발사업 등의 지원으로 이뤄졌다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경투명전극은 태양전지, 터치스크린, 유기발광다이오드와 같은 다양한 광전자 소자 및 디스플레이 산업의 핵심 부품이다. 투명전극의 대표적인 재료인 ITO(인듐주석산화물)는 가격이 오르는데다 유연한 전자기기(flexible device) 적용하기 어려워 대체 물질이 필요하다. 이에 최근에는 전기 전도성과 광학적 투과율이 뛰어날 뿐만 아니라 매우 유연해 플렉시블(flexible) 및 웨어러블(wearable) 소자에 적용 가능한 ‘은 나노와이어(silver nanowire)’가 차세대 디스플레이 및 광전자 소자 대체물질로 주목받고 있다. 하지만 스핀 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅과 같은 다양한 용액 방식으로 코팅되는 나노 단위의 은 나노와이어는 제어가 불가능해 매우 불규칙하고 무질서한 네트워크 구조를 형성하게 된다. 이러한 불규칙한 네트워크는 은 나노와이어 간의 접촉저항을 높이고, 표면이 거칠고 불균일하기 때문에 전자소자에 적용하기 어렵다. 은 나노와이어를 제어하고 배열하기 위한 연구들은 세계 다양한 연구그룹에서 진행됐다. 하지만 기존 ‘은 나노와이어 정렬 기술’은 공정이 복잡하거나 대면적화가 힘들어 산업적으로 응용하기 어렵다는 한계점을 가진다. 디스플레이 소자로서 터치스크린은 스크린의 특정 위치에 사람의 손이나 물체가 닿으면 접촉 위치를 인식하는 방식으로 작동한다. 저항막 방식의 터치스크린의 경우 스페이서(spacer)를 통해 상하부 투명전극이 일정한 간격을 가지고 마주보는 형태다. 손가락이나 펜으로 압력을 가하면 두 개의 투명전극이 접촉하면서 전기적 신호가 발생해 위치를 인식하게 된다. 그러나 기존 투명전극은 반복적이고 지속적인 압력에 의해 내구성이 저하된다. 이 문제 때문에 기존 투명전극으로 플렉시블 터치스크린을 만들기는 어렵다. 또 저항막 방식은 누르는 강도나 힘을 인식할 수 없고 단순한 위치 정보만 표시하는 한계점을 가진다. 이번 연구에서는 산업적으로 널리 쓰는 ‘바 코팅’ 방법에 기반해 대면적(20×20㎝ 이상)으로 균일한 은 나노와이어 정렬 기술을 개발했다. 또한 교차 정렬된 은 나노와이어 네트워크를 통해 매우 낮은 저항과 높은 투과율을 가지는 투명전극을 만들었다. 이를 대면적 터치스크린 소자에 응용했고, 내구성이 뛰어난 플렉시블 터치스크린을 제작할 수 있었다. 또한 역학변색(mechanochromic) 고분자를 기존의 터치스크린에 적용함으로써 접촉 위치뿐 아니라 강도까지 인식 가능한 ‘플렉시블 역학변색형 압력감지 터치스크린’을 개발했다. |
2. 연구내용이번 연구에서는 기존의 무질서한 은 나노와이어 네트워크를 쉽고 빠르게 원하는 구조로 제어하는 공정을 개발했다. 우선 대면적으로 만들기 좋은 ‘바 코팅’ 방법에 기반해 은 나노와이어를 원하는 방향으로 정렬했다. 교차 정렬된 은 나노와이어 네트워크는 고성능 투명전극 필름 제조뿐 아니라 대면적으로 균일한 전도성 필름 제조로 이어졌다. 이 소자를 이용해 대면적으로 균일한 민감도를 가지는 플렉시블 터치스크린 소자를 제작했다. 또한 이를 역학변색 고분자인 ‘스피로피란 복합소재(Spiropyran-PDMS)’와 결합해 접촉 위치뿐 아니라 강도까지 인식 가능한 ‘압력감지형 역학변색 터치스크린’을 개발했다. 이번 연구는 재료적인 측면에서 ‘낮은 면 저항’과 ‘뛰어난 광 투과율’을 가지는 고성능 투명전극 소재를 구현했을 뿐 아니라 산업화에 유리한 ‘대면적화’ 까지 한 번에 구현했다는 의미가 있다. 특히 교차 정렬된 은 나노와이어 투명전극은 다양한 기판 위에 적용할 수 있고, 바 코팅에 기반한 덕분에 대면적 공정이 가능해 상용화에 유리하다. 소자적인 측면에서는 교차 정렬된 은 나노와이어 투명전극을 통해 대면적 플렉시블 터치스크린을 제작할 수 있었다. 이렇게 제작된 터치스크린은 균일하게 교차 정렬된 은 나노와이어 네트워크에 기반해 전면적으로 균일한 민감도를 가질 뿐 아니라 반복적이고 지속적인 압력에 의한 내구성 저하 문제도 해결했다. 또한, 터치스크린 소자에 역학변색형 스피로피란 복합소재를 결합해 접촉 강도까지 인식 가능한 역학변색형 압력감지 터치스크린을 개발했다. 역학변색형 압력감지 터치스크린를 이용하면 사람마다 다른 압력으로 필기하는 방식을 구별할 수 있다. |
3. 기대효과이번 연구에서 새롭게 개발한 ‘바 코팅에 의한 대면적 은 나노와이어 정렬 기술’은 은 나노와이어 기반 투명전극의 최대 단점을 해결했다. 무질서한 구조를 원하는 구조로 정렬할 수 있기 때문이다. 또 용액 공정을 기반으로 대면적화에 유리해 다양한 산업에서 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또 쉽고 빠른 바 코팅 방법에 의한 정렬 기술은 다른 금속이나 반도체 나노와이어 (구리, 실리콘, 인화인듐 등)의 배열에도 적용될 것으로 기대된다. 이번 연구에서 소개된 ‘교차 정렬된 은 나노와이어 투명 전극’은 태양전지, PLED, 플렉시블 디스플레이, 스마트 윈도우 등 다양한 산업에 걸쳐 은 나노와이어 기반 투명전극의 상용화에 크게 기여할 것으로 보인다. 특히 역학변색형 스피로피란 복합소재와 기존의 터치스크린을 결합한 역학변색형 압력감지 터치스크린은 기존의 터치스크린이 가지는 한계점을 뛰어 넘었다. 단순 접촉 위치 정보만이 아닌 접촉 강도를 인식함으로써 일반적인 터치스크린이 해낼 수 없는 다양한 기능을 수행할 수 있을 것으로 전망된다. 이로써 최근 주목받는 다기능 플렉시블 전자기기나 광전자 소자 시장 등의 다양한 분야로 응용 가능성도 매우 높은 기술이다. |
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[붙임] 용어설명 |
1. 에이씨에스 나노(ACS Nano)미국화학회(American Chemical Society ACS)에서 발행하는 나노 (Nano) 분야를 다루는 세계적으로 권위 있는 학술지이다. (2015/2016년 IF: 13.334) |
2. 은 나노와이어(Silver nanowire)은(silver) 이뤄진 극미세선으로 단면 지름이 나노미터(㎚) 단위로 아주 작다. 종횡비가 높아 길쭉한 형태이며 매우 유연하고 전기 전도도가 높다. 이런 특성 덕분에 투명전극, 레이저, 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용된다. |
3. 투명전극(Transparent conducting electrode)높은 전기 전도도를 가지는 동시에 가시광선에 대해서 높은 투과율을 보이는 전극을 말한다. 투명전극의 재료로는 주로 ITO(인듐-주석-산화물)라는 물질이 사용돼 왔으나, 최근에는 인듐의 가격상승으로 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 전도성 고분자 등과 같은 물질이 대체재로 주목받고 있다. |
4. 역학변색(Mechanochromic)고체 물질에 물리적 자극이 가해짐에 따라 물질의 색이 변하는 현상을 말한다. |
5. 바 코팅(Bar-coating)용액 상태의 물질이나 고분자를 표면에 바를 때 널리 쓰이는 산업 기술이다. 스테인리스강 재질 등으로 만들어진 길쭉한 봉(bar) 아래에 용액을 뿌린 다음, 한쪽 방향으로 밀면서 용액을 표면에 바르는 방식이다. 이번 연구에서는 은 나노와이어가 봉에 밀리면서 아래쪽으로 정전기력도 받게 해 균일하게 정렬되도록 장치를 설계했다. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림 1. 바 코팅으로 은 나노와이어를 대면적으로 정렬하는 원리 (a)바(bar)가 왼쪽으로 끌리면서 페트(PET) 기판 위에 은 나노와이어를 정렬시키게 된다. (b)바가 수평으로 미는 힘(shear alignment)과 아래로 당기는 정전기적 인력(electrostatic pinning)이 작용하면서 은 나노와이어가 나란히 정렬된다. (c, d)은 나노와이어가 정렬되면서 균일한 네트워크를 형성한 모습을 암시야 광학 현미경으로 촬영했다. 오른쪽 위 그림은 정렬 구조를 정량적으로 보여주는 푸리에 변환 이미지다. (e, f) 은 나노와이어들의 정렬도 분포를 보여주는 그래프(21.4의 반가폭 값)와 대면적으로 고른 반가폭 값을 보여주는 맵핑 이미지. 은 나노와이어가 대면적으로 균일하게 정렬됨을 보여준다.
그림 2. 코팅 속도와 은 나노와이어 농도에 따른 정렬 수준 제어 (a) 용액 양에 따른 반가폭(정렬도) 분석 그래프. (b) 바 코팅 속도에 따른 반가폭(정렬도) 분석 그래프. (c) 기판 온도에 따른 반가폭(정렬도) 분석 그래프. (d) 정렬된 은 나노와이어의 편광 특성 측정법을 보여주는 모식도. (e) 편광 각도에 따른 정렬된 은 나노와이어 어레이의 광학적 특성 변화 그래프. (f) 편광 각도에 따른 정렬된 은 나노와이어 어레이의 이색성 광학적 특성을 보여주는 암시야 광학 현미경 이미지.
그림 3. 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 대면적 투명전극의 성능 및 균일도 분석 (a) 은 나노와이어 어레이의 교차 정렬 횟수에 따른 전기적, 광학적 특성 변화. (b) 교차 정렬된 은 나노와이어와 무질서한 은 나노와이어의 전기적, 광학적 특성 비교 그래프. (c) 다른 투명전극 성능과 비교한 교차 정렬된 은 나노와이어 투명전극의 성능 평가. (d) 대면적의 PET 기판에 코팅 된 교차 정렬된 은 나노와이어 투명전극 사진 및 분석을 위한 열여섯 부분의 픽셀 어레이를 보여주는 모식도. (e, f) 대면적으로 교차 정렬된 은 나노와이어와 무질서한 은 나노와이어 투명전극의 면 저항 균일도 비교 맵핑 이미지. (g, h) 대면적으로 교차 정렬된 은 나노와이어와 무질서한 은 나노와이어 투명전극의 광학 투과도 균일도 비교 맵핑 이미지.
그림 4. 교차 정렬된 은 나노와이어를 적용한 터치스크린 소자의 구조와 성능 (a) 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 터치스크린의 모식도. 투명전극이 위 아래로 배치돼 압력을 감지하는 방식이다. (b) 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 투명하고 유연한 터치스크린의 사진. (e) 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 터치스크린의 알파벳 쓰기 테스트 결과. (d) 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 터치스크린의 밑에 놓인 나비 그림 따라 그린 결과.
그림 5. 교차 정렬된 은 나노와이어 기반 터치스크린과 역학변색형 고분자 필름이 결합된 역학변색형 압력감지 터치스크린의 구조와 성능. (a) 터치스크린과 역학변색형 고분자 필름이 결합된 역학변색형 압력감지 터치스크린의 구조를 보여주는 모식도. (b) 분광복사기를 이용한 역학변색형 압력감지 터치스크린의 색 분석 방법을 보여주는 모식도. (c) 접촉강도에 따른 정규화된 휘도 크기 변화 그래프. (d) 접촉강도에 따른 역학변색형 압력감지 터치스크린의 색 변화를 보여주는 사진. (e) 접촉강도(4.3-14.9N)에 따른 글자 “FNL"의 정규화된 휘도 그래프. (f) 접촉강도에 따른 색 좌표 변화를 보여주는 표준 색도도(CIE 1931). (g) 역학변색형 압력감지 터치스크린에 쓰인 글자 "A"(왼쪽)와 색 분석을 통한 압력 분석 맵핑 이미지. |
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