발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 일반적인 액정표시소자(LCD)는 편광자, 액정, 배향막, 전극 등 복잡한 부품으로 구성됩니다.

• 널리 사용되는 요오드계 편광자는 고투과율의 장점이 있지만, 온도와 습도에 취약하여 안정성이 떨어지는 단점이 있습니다.

• 또한, 가시광선 영역(400~800nm)에서만 작동하여 사용 범위가 제한적이었습니다.

• 기존 탄소나노튜브 시트 관련 특허는 편광자, 배향막, 전극의 기능을 동시에 수행하는 다기능성에 대해서는 언급하지 않았습니다.

기술의 필요성

• 기존 요오드계 편광자의 온도, 습도 취약성 및 제한된 작동 파장 문제를 해결할 새로운 소재가 필요합니다.

• 여러 부품의 기능을 하나로 통합하여 액정표시소자의 구조를 단순화하고 제조 공정을 간소화할 필요가 있습니다.

• 플렉서블 디스플레이와 같은 차세대 기기에 적용할 수 있는 얇고, 유연하며, 기계적 강도가 뛰어난 고성능 소재의 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술의 핵심은 탄소나노튜브(CNT) 시트 필름 하나가 편광자, 배향막, 전극의 세 가지 기능을 동시에 수행하는 것입니다.

• 편광자 기능: 일 방향으로 정렬된 탄소나노튜브가 입사되는 빛의 각도에 따라 투과량을 조절하여 편광 효과를 나타냅니다.

• 배향막 기능: 정렬된 탄소나노튜브 표면이 별도의 배향막 없이 액정 분자의 정렬을 유도합니다.

• 전극 기능: 탄소나노튜브 자체의 높은 전도성 덕분에 전압을 인가하는 투명 전극으로 기능합니다.

구체적인 구현 방법

1. 금속 촉매가 증착된 기판 위에 탄소 소스를 주입하여 수직 방향으로 탄소나노튜브를 성장시켜 '탄소나노튜브 포레스트'를 형성합니다.

2. 형성된 포레스트로부터 탄소나노튜브를 인출하여 제2기재에 감아 일 방향으로 정렬된 '탄소나노튜브 시트'를 제작합니다.

3. 제작된 시트를 제3기재 위로 전사합니다.

4. 전사된 시트 위에 고분자 용액을 도포하고 경화시켜 '탄소나노튜브 시트 필름'을 형성합니다.

5. 제3기재를 제거하여 독립적인 시트 필름을 얻습니다.

6. 두 개의 시트 필름을 서로 마주 보게 배치합니다.

7. 두 필름 사이에 액정을 주입하고 밀봉하여 최종 액정표시소자를 완성합니다.

기술의 장점

• 구조 단순화: 편광자, 배향막, 전극 기능을 단일 필름으로 통합하여 부품 수와 공정을 줄입니다.

• 플렉서블 특성: 기존의 깨지기 쉬운 ITO(인듐 주석 산화물) 전극과 달리, 기계적 강도가 뛰어나고 유연하여 플렉서블 디스플레이에 적용이 용이합니다.

• 높은 안정성: 열, 화학, 물리적으로 안정적인 탄소나노튜브를 사용하여 기존 요오드계 편광 필름보다 내구성이 뛰어납니다.

• 초박형 구현: TAC, CTA와 같은 별도의 지지 필름이 필요 없어 매우 얇은(두께 5 μm ~ 1,000 μm) 소자 제작이 가능합니다.

• 넓은 파장 범위: 근적외선부터 자외선 영역(300 nm ~ 2,000 nm)까지 넓은 파장 범위에서 편광 효과를 나타내어 다양한 기기에 응용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 실제로 제조된 탄소나노튜브 시트 필름의 광학적, 기계적 특성을 평가하고, 이를 적용한 액정표시소자의 구동 가능성을 검증하기 위해 수행되었습니다.

실험 방법 및 과정

1. 철(Fe) 촉매를 증착한 실리콘 기판 위에서 아세틸렌 가스를 이용하여 700℃에서 탄소나노튜브 포레스트를 성장시켰습니다.

2. 성장된 포레스트에서 탄소나노튜브 시트를 인출하여 PMMA 희생층이 있는 유리 기판 위로 옮겼습니다.

3. 폴리이미드 용액을 코팅하고 경화시켜 탄소나노튜브 시트 필름을 제작한 후, 희생층을 제거하여 필름을 단독으로 분리했습니다.

4. 제작된 필름 2장을 마주 보게 배치하고 실란트로 고정한 뒤, 그 사이에 액정을 주입하여 액정표시소자를 완성했습니다.

5. 제작된 필름의 투과도, 편광도, 인장 강도 및 액정 소자의 전압에 따른 광학적 변화를 측정했습니다.

실험 결과

실험 결과, 탄소나노튜브 시트 필름의 층수가 증가할수록 편광도가 크게 향상되는 것을 확인했습니다. 특히 12층 필름의 경우, 수직 선편광된 빛에 대한 투과도가 거의 0에 가까워 우수한 편광자로서의 성능을 입증했습니다.

또한, 탄소나노튜브 시트 필름은 순수 필름 대비 인장 강도가 크게 향상되었으며, 층수가 증가함에 따라 향상률도 높아졌습니다. 이는 탄소나노튜브가 필름의 기계적 강도를 효과적으로 보강함을 보여줍니다.

최종적으로 제작된 액정표시소자는 전압 인가 여부에 따라 빛의 투과가 제어되는 것을 편광광학 이미지를 통해 확인함으로써, 탄소나노튜브 시트 필름이 편광자, 배향막, 전극의 역할을 성공적으로 동시에 수행함을 증명했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 폴더블, 롤러블, 웨어러블 기기 등 다양한 형태의 플렉서블 디스플레이의 핵심 소재로 활용될 수 있습니다.

• 넓은 파장 범위(IR-UV)를 이용하는 특수 목적의 광학 필터 및 센서에 적용 가능합니다.

• 기존 LCD 및 OLED 디스플레이의 공정을 단순화하고 원가를 절감하는 대체 소재로 활용할 수 있습니다.

• 차량용 디스플레이, 스마트 윈도우, 투명 디스플레이 등 신규 응용 분야에 적용할 수 있습니다.

기대효과

• 디스플레이 제조 공정의 단순화 및 원가 경쟁력 확보에 기여할 수 있습니다.

• 기존 소재의 한계(내구성, 유연성)를 극복하여 디스플레이 제품의 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

• 차세대 디스플레이 시장에서 혁신적인 원천 기술 확보를 통해 국가 기술 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

• 수입 의존도가 높은 ITO 필름 및 편광판 소재를 대체하여 국내 소재 산업 생태계에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

플렉서블 디스플레이 시장은 OLED 기술을 중심으로 빠르게 성장하고 있습니다. 전 세계 플렉서블 디스플레이 시장은 2018년 129.5억 달러에서 연평균 8.2% 성장하여 2026년에는 243.0억 달러 규모에 이를 것으로 전망됩니다. 이러한 성장은 본 기술과 같은 혁신적인 소재에 대한 수요를 촉진할 것입니다. (출처: ASTI MARKET INSIGHT 045)

• 탄소나노튜브(CNT)를 포함한 나노탄소소재 시장 또한 꾸준히 성장하고 있으며, 특히 투명전극 시장은 기존 ITO 필름의 한계를 극복할 대안으로 그래핀, 은 나노와이어와 함께 CNT가 주목받고 있습니다. (출처: 한양대학교 나노전기역학 연구실)

• 2020년 기준 플렉서블 디스플레이 시장의 88%는 OLED가 차지했으며, 이 중 폴더블 스마트폰이 91.7%의 압도적인 비중으로 시장을 견인하고 있습니다. (출처: ASTI MARKET INSIGHT 045)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

플렉서블 OLED 시장은 소수의 글로벌 기업들이 주도하고 있으며, 이들은 편광판의 기능을 내재화하여 성능을 개선하려는 기술 경쟁을 치열하게 벌이고 있습니다. 이는 본 발명과 같이 편광 기능을 포함한 다기능성 신소재에 대한 시장의 요구가 크다는 것을 의미합니다.

국내에서는 DPI Solutions, Topnanosys와 같은 기업들이 터치스크린용 CNT 투명전극 프로토타입을 개발하는 등 기술 발전을 이루고 있습니다. (출처: 한양대학교 나노전기역학 연구실)

산업 동인 및 기회 요인

1. 기존 ITO 소재의 한계: 유연성 부족과 인듐(Indium)의 희소성 문제로 인해 CNT와 같은 차세대 소재로의 전환이 가속화되고 있습니다.

2. 응용 분야의 확장: 스마트폰을 넘어 TV, 스마트워치, 자율주행차, 웨어러블, AR 기기 등으로 플렉서블 디스플레이의 적용이 확대되면서 새로운 소재 기술에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

3. 기술 혁신 경쟁: 삼성디스플레이의 '무편광 기술(ECO²)'과 같이 편광판을 제거하여 성능을 높이려는 시도는, 본 발명처럼 편광 기능을 내재화한 소재 기술의 시장 진입에 긍정적인 환경을 조성합니다. (출처: KDB미래전략연구소)

4. 가격 경쟁력 확보: CNT의 가격 하락은 시장 확장의 가장 중요한 과제로, 기술 발전과 대량 생산을 통해 가격 경쟁력을 확보할 경우 시장이 폭발적으로 성장할 기회가 있습니다. (출처: CNT 시장동향 보고서)