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Nikkei X-TECH_2023.10.13

차세대 투명 도전 필름, 2024년경에 등장
LiDAR 등의 센서 히터, EMI 필터, 무선통신 안테나 시장 참여

차세대 투명 도전 필름에 대한 연구개발 열기가 뜨거워지고 있다. 목표로 하는 것은 LiDAR나 카메라 등의 센서에 장착되는 히터, 방사전자잡음(EMI)을 억제하는 필터, 무선 통신 안테나 등 3개 시장으로의 참여이다. 이러한 용도를 위해 기존과 차별화된 성능을 갖춘 투명 도전 필름이 2024년경부터 등장할 것으로 전망된다.

LiDAR에서는 적외광을 조사(照射)해서 그 반사광을 이용해 거리를 계측한다. 이때 발광부나 수광부의 광학부품에 눈이나 물방울이 묻으면 측거(測距) 성능이 떨어진다. 이 때문에 투명 도전 필름으로 가열해 눈을 녹이거나 물방울을 증발시키는 등의 수요가 있다.

투명한 EMI 필터는 전자레인지나 오븐렌지 도어에 적용된다. 이를 통해, 도어 너머로 조리 과정을 눈으로 인지할 수 있다.

투명 안테나는 AR(증강현실)용 안경형 단말기(AR 글래스)의 렌즈 부분이나 자동차 창문 등에 적합하다. 광학 부품에 안테나를 설치할 수 있기 때문에 구현 공간 절약으로 이어진다.

이러한 용도를 위해 기존의 인듐주석산화물(ITO) 필름을 뛰어넘는 높은 광 투과율과 낮은 시트 저항, 낮은 확산 반사율을 실현하는 투명 도전 필름에 대한 연구개발이 활발해지고 있다. 투과율이 높을수록 시인성(視認性, 육안으로 보고 인식하는 성질)이 높아진다. 시트 저항은 저항값의 기준으로 낮을수록 효율 향상으로 이어진다. 예를 들어, 안테나의 경우 크게 효율화할 수 있다.

확산 반사율은 통상적인 반사광(정반사광)을 제외한 빛의 반사율이다. 빛을 흡수하지 않는 투명한 물체라도 내부에서 광 산란을 일으켜 투명성이 떨어질 수 있다. LiDAR의 경우, 측거 성능 저하를 초래한다. 확산 반사율은 낮을수록 좋다.

-- 파나소닉 계열사, 금속 메시형 연구 --
앞에서 서술한 3가지 특성을 달성하는 것은 기존의 ITO 필름으로는 어렵다. 그래서 새로운 재료를 이용한 투명 도전 필름에 대한 기대가 높아지고 있다. 그 실현 방법은 크게 2가지다.

하나는 금속 메시를 이용하는 방법이다. 직경이 μm 오더의 금속 세선(細線)을 필름 기재에 두르는 방법이다. 특히 낮은 시트 저항을 실현하기 쉽다는 것이 특징이다.

금속에는 구리를 이용하는 것이 일반적이다. 메시 패턴을 고안함으로써 특성을 높일 수 있다.

또 하나는 도전성 섬유를 이용하는 방법이다. 나노 와이어라고 불리는 직경이 nm 오더의 미세한 도전성 섬유를 섞은 잉크를 필름 기재에 도공해 투명 도전 필름으로 하는 방법이다. 투명성과 도전성, 가공 성능의 지표가 되는 ‘굽힘성’의 밸런스가 좋다는 점이 특징이다. 은 나노 와이어를 이용하는 것이 일반적이다.

금속 메시형 연구개발에 주력하는 것은 파나소닉홀딩스 산하에서 전자 부품을 제조하는 파나소닉인더스트리이다. 파나소닉인더스트리는 투명 도전 필름 등의 전자 재료를 제조하는 캐나다의 신흥 기업 Meta Materials와 협업해 전술한 3개 분야에 적합한 투명 도전 필름을 개발해나갈 방침이다.

그 구체적인 응용처로 전자레인지와 오븐 기능도 갖춘 오븐레인지 도어에 붙이는 EMI 억제 시트가 있다. 양 사는 이미 금속 메시 형태의 투명 도전 필름을 갖춘 전자레인지와 오븐레인지를 시작(試作)했다.

이번 협업에서는 주로 파나소닉인더스트리가 제조를, Meta Materials가 금속 메시 패턴 설계를 맡는다. 파나소닉인더스트리에 따르면, Meta Materials는 안테나나 EMI 필터 등, 고주파용 금속 패턴 설계 기술에 강점을 가지고 있다고 한다. 그런 만큼 파나소닉인더스트리는 EMI 필터와 안테나로의 응용에 특히 기대를 걸고 있다.

파나소닉인더스트리는 높은 광 투과율과 낮은 시트 저항을 실현한 금속 메시형 투명 도전 필름 제조 기술에 강점을 가지고 있다. 예를 들면, 시인성이 없다고 알려져 있는 선 폭 2μm 이하가 가능하며, 투과율이 89%로 높고, 시트 저항이 2옴퍼스퀘어(Ω/□)로 낮은 투명 도전 필름을 실현할 수 있다고 한다.

금속 메시형의 경우, 높은 투과율과 낮은 시트 저항을 양립하기 어렵다. 투과율을 높이려고 선 폭을 좁히면 배선의 단면적이 작아져 전류가 흐르기 어려워지면서 시트 저항이 높아진다. 한편, 시트 저항을 낮추려고 선 폭을 넓히면 투과율이 떨어져 버린다.

그래서 파나소닉인더스트리는 구리 선의 선 폭을 좁힌 채 두껍게 함(가로세로비를 높임)으로써 시트 저항을 낮추는 독자적인 제조 공정을 개발해 2018년부터 양산에 적용. 생산성이 높은 롤투롤 공정(Roll-to-roll processing)으로 투명 도전 필름을 제조하고 있다.

현재는 한쪽 면뿐만 아니라 양쪽 면에 금속 메시를 형성할 수 있어 한쪽 면씩 다른 기능을 부여할 수 있다. 예를 들면, 한쪽을 EMI 필터로, 다른 한쪽을 히터로 이용할 수 있다. 이러한 투명 도전 필름을 전자레인지의 도어에 붙이면 EMI를 억제하면서 가열 조리 후 묻은 레인지 내 물방울을 히터로 제거할 수 있다.

-- 마이크로파로 실현 --
은 나노 와이어를 이용한 투명 도전 필름의 실용화를 추진하고 있는 것은 대일본인쇄(DNP)이다. DNP는 과거 은 나노 와이어를 이용한 투명 도전 필름을 제조했지만, 사업으로는 성공하지 못했다. 이번에 DNP는 신흥 기업인 마이크로파화학과 손잡고 은 나노 와이어를 이용한 투명 도전 필름에 재도전한다.

마이크로파화학은 마이크로파를 이용한 화학 프로세스에 강점을 가지고 있다. 이 프로세스를 통해 은 나노 와이어를 가늘고 길게 만들 수 있다. 직경 11nm를 유지한 채 길이가 긴 은 나노 와이어를 실현했다고 한다. 길이는 비공개다.

이를 통해 가시광이나 근적외선에 있어 높은 투과율과 낮은 확산 반사율을 실현했다고 한다. 예를 들면, 시트 저항이 30~70Ω/□의 범위에서, “ITO 필름과 비교해 높은 투명성을 유지할 수 있다”(DNP)라고 한다. 대표 값으로 전체 광선 투과율 90.6%, 시트 저항 31.9Ω/□이다. 투명 도전 필름을 검은색 아크릴판에 붙인 상태에서의 확산 반사율은 0.36%로 낮다.

기존 방법에서는 은 나노 와이어를 길게 성장시키면 직경도 굵어져 상술한 바와 같은 특성을 달성하기 어려웠다. 예를 들면, 확산 반사율이 커져 버린다. 마이크로파를 이용한 프로세스는 은 나노 와이어의 성장부에 해당하는 양 끝에 에너지를 직접 전달함으로써 굵어지지 않고 길게 할 수 있다.

제조 프로세스의 흐름은 다음과 같다. 우선 은 나노 와이어가 포함된 용액(분산액)을 마이크로파화학에서 제조한다. 그 다음, 그 분산액을 DNP가 도공 가능한 잉크로 만든다. 이어서, DNP가 필름 기재에 도공한다. 마지막으로, 그것을 제품으로서 고객에게 납품한다. 도공 프로세스는 롤투롤이다.

양 사는 우선 LiDAR용 투명 히터 용도를 목표로 올 12월에 샘플 출하, 2024년 12월에 양산을 개시한다는 목표를 내걸고 있다. 고객의 요망이 있으면 안테나나 EMI 필터의 제품화도 검토할 방침이다.

또한  DNP는 금속 메시의 투명 도전 필름도 개발. 주로 안테나용을 상정하고 있다.

■ 키워드
투명 도전 필름: 필름 기재에 도전성을 가진 투명한 재료를 조합한 것. 도전 재료로 ITO를 이용하는 것이 일반적이며, 디스플레이와 조합할 수 있는 터치 패널이나 태양전지의 투명 전극 등으로 이용되고 있다. 향후에는 안테나나 EMI 필터, 히터와 같은 새로운 용도도 기대되고 있다. 이러한 용도를 위해 금속 메시나 금속 나노 와이어를 이용하는 투명 도전 필름에 대한 연구개발도 추진되고 있다.

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