발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 은 나노와이어는 높은 열 및 전기 전도율, 1차원 구조적 특성으로 인해 유연(flexible) 및 신축성(stretchable) 소자의 전도성 물질로 주목받고 있습니다.

• 기존에는 폴리올 프로세스를 통해 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 안정제로 사용하여 은 나노와이어를 합성했습니다.

• 하지만 이렇게 합성된 은 나노와이어는 수계(aqueous) 용매에만 분산되는 한계가 있어, 다양한 유기계 고분자 소재에 적용하기 어려웠습니다.

기술의 필요성

• 다양한 소수성 고분자 물질과의 분산성을 확보하는 것은 은 나노와이어의 응용 분야를 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 기기 등으로 확대하기 위해 필수적입니다.

• 따라서 산업계에서는 유기계 물질에 쉽게 분산될 수 있는 새로운 특성의 은 나노와이어에 대한 기술적 요구가 지속적으로 증가하고 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 기존 PVP로 피복된 은 나노와이어의 표면을 화학적으로 개질하는 기술입니다.

• 핵심 원리는 은 나노와이어 표면의 PVP 리간드(안정제) 일부를 C6-C18 알킬 아민 또는 C6-C18 티올 화합물로 치환하는 것입니다.

• 이러한 표면 개질을 통해 은 나노와이어는 소수성을 띠게 되어 유기계 용매 및 소수성 고분자에 대한 분산성이 획기적으로 개선됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 분산액 제조: 디메틸포름아미드(DMF)에 NOBF4를 용해시킨 용액에 기존 PVP 피복 은 나노와이어를 분산시킵니다.

2. 표면 치환 반응: 제조된 분산액에 C6-C18 알킬 아민 또는 C6-C18 티올 화합물을 첨가하여 반응시킴으로써 표면의 PVP를 새로운 화합물로 치환합니다.

3. 완성: 최종적으로 표면이 개질된 은 나노와이어는 직경 20 nm ~ 200 nm, 길이 5 µm ~ 100 µm의 특성을 갖습니다.

기술의 장점

• 뛰어난 분산성: 유기계 물질에 매우 잘 분산되어 다양한 소재와의 혼합 및 가공이 용이합니다.

• 넓은 적용 범위: 고무, 플라스틱 등 다양한 고분자 물질을 포함하는 유기물질과의 복합재료 제조에 폭넓게 적용할 수 있습니다.

• 차세대 소자 적용: 유연 소자 및 신축성 소자의 핵심 전도성 물질로 활용 잠재력이 매우 높습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 폴리올 공정을 통해 은 나노와이어를 합성하고, 합성된 은 나노와이어의 표면을 알킬 아민 또는 티올 화합물로 개질하여 유기 용매 내 분산성을 확보하는 것을 목표로 하였습니다. 각기 다른 조건에서의 합성과 표면 개질 결과를 비교 분석하였습니다.

실험 방법 및 과정

실험 결과

• 분석 결과, 표면 개질 후 은 나노와이어 표면의 리간드가 부분적으로 치환되었음을 확인했습니다(FT-IR, TGA 분석).

• 현미경 사진 관찰 결과, 합성된 은 나노와이어가 목표한 직경과 길이 분포를 가짐을 확인했습니다.

• 최종적으로 표면 개질된 은 나노와이어가 유기 용매인 톨루엔에 성공적으로 분산되는 것을 통해 기술의 유효성을 검증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 플렉서블 디스플레이: 유연한 기판 위 투명 전극 필름 제조

• 웨어러블 기기: 신축성 있는 전자회로 및 피부 부착형 센서 제작

• 태양전지: 광 투과율과 전도성을 동시에 만족시키는 전극 소재로 활용

• 기능성 복합소재: 전도성을 부여한 고무 또는 플라스틱 소재 개발

기대효과

• 기술적 파급효과: 기존 ITO(인듐주석산화물) 소재의 한계를 극복하고, 차세대 투명 전극 소재 기술을 확보할 수 있습니다.

• 경제적 효과: 고가의 진공 장비가 필요한 ITO 공정과 달리, 저비용 용액 공정이 가능하여 제조 비용 절감 및 생산성 향상을 기대할 수 있습니다.

• 산업적 기여: 대한민국 차세대 전자소재 산업의 글로벌 경쟁력을 강화하고, 관련 신시장을 창출하는 데 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

은 나노와이어를 포함하는 전도성 투명 필름 시장은 스마트폰, 태블릿 등 기존 시장의 성장과 더불어 플렉서블 디바이스와 같은 신규 시장 확대로 인해 수요가 급증하고 있습니다. 세계 전도성 투명 필름 시장 규모는 2016년 약 34억 5,680만 달러에서 연평균 9.4%로 성장하여 2026년 약 84억 6,160만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처: ASTI Market Insight)

• 특히 은 나노와이어 기반 필름은 연평균 12.4%의 더 높은 성장률을 보이며 시장 성장을 주도할 것으로 예상됩니다.

• 지역별로는 아시아 태평양 지역이 가장 빠른 성장세를 보이며, 2024년부터 2032년까지 연평균 28.7%의 폭발적인 성장이 예측됩니다.(출처: GMINSIGHTS)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 투명 전극 시장의 주류는 ITO(인듐주석산화물)이지만, 유연성이 부족하고 희소 금속인 인듐을 사용해 가격 변동성이 크다는 단점이 있습니다. 은 나노와이어는 이러한 ITO의 단점을 극복할 수 있는 강력한 대체재로 부상하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 차세대 디바이스 시장 확대: 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 기기, 신축성 센서 등 새로운 폼팩터의 전자 기기 시장이 급격히 성장하며 유연한 전극 소재의 수요를 견인하고 있습니다.

2. 고기능성 소재 수요 증가: 기존 ITO 소재의 기술적 한계(유연성 부족, 높은 비용)를 극복할 수 있는 은 나노와이어와 같은 신소재에 대한 시장의 요구가 매우 높습니다.

3. 제조 공정의 혁신: 대면적화가 용이하고 비용 효율적인 롤투롤(Roll-to-Roll)과 같은 용액 기반 코팅 공정이 발전하면서 은 나노와이어의 상용화 및 가격 경쟁력이 높아지고 있습니다.