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투명 전기 전도체로 사용할 수 있....

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글쓴이 김대현 등록일 12-10-16 15:46
조회 2,173
    투명 전기 전도체로 사용할 수 있는 그래핀-폴리머 박막
     
    평면 TV, 컴퓨터, 휴대폰 디스플레이는 후면 수광(back illumination)을 방해하지 않도록 전기 장치와 연결된 투명한 전기 전도체를 필요로 한다. 인듐 주석 산화물은 이런 목적으로 현재 사용되고 있지만, 이것은 비용이 많이 들고 부서지기 쉽다. IMRE(A*STAR Institute of Materials Research and Engineering)의 연구진은 이런 문제를 해결할 수 있는 새로운 재료를 개발했는데, 이것은 그래핀과 강자성 폴리머로 만들어진 박막으로 구성되어 있다.

    그래핀은 탄소 원자의 단일층만으로 구성되기 때문에 투명하다. 그래핀은 높은 전기 전도성을 가지고 강하며 인듐 주석 산화물보다 훨씬 더 플렉서블하다. 따라서 접을 수 있는 디스플레이와 박막 태양전지에 적용될 수 있다.

    그래핀의 단일층은 매우 얇지만 탄소 원자의 강하고 질긴 결합으로 형성되는데, 이것은 뛰어난 기계적 및 전기적 성질을 가질 수 있게 한다. 그러나 원래 상태의 그래핀의 경우에, 전류를 전달할 수 있는 자유 전자가 매우 적기 때문에 전기 전도성이 낮다. 전압을 인가함으로 인해서 일반적으로 발생하는 전하의 주입 때문에 전도성이 증가할 수 있다. 그러나 이것은 전원을 소모하기 때문에 일반 전기 장치에서는 바람직하지 않다.

    이번 연구진이 개발한 박막은 이것을 해결할 수 있는 해법을 제공한다. 연구진은 강전기성 폴리머와 그래핀을 결합했는데, 이것은 표면 위에 전하를 가진다. 연구진은 유기 선구물질 분자를 증착시킴으로써 구리 포일(foil) 위에 그래핀을 성장시켰고, 용액 상태의 폴리머를 상부에 증착시켰다. 폴리머의 전기장은 그래핀의 전하를 유도했다. 이것은 그래핀의 전기 전도성을 12배까지 증가시켰다.
    그래핀은 예상외의 광학적, 기계적, 전기적 성질을 가지고, 이것은 새로운 광전자 장치, 포토닉스, 플렉서블 투명 전극 분야에 적용될 수 있을 것이다. 그러나 그래핀의 상당히 높은 시트 저항(sheet resistance)은 많은 분야에 적용하는데 주요 제한점이다. 연구진은 비휘발성 강전기 폴리머 격자를 사용해서 대면적 CVD 단일층 그래핀에서 낮은 시트 저항을 달성할 수 있는 새로운 방법을 제안했다. 이런 하이브리드 구조에서, 대면적 그래핀은 비휘발성 강전기 쌍극자에 의해서 3 × 1013 cm?2까지 매우 높게 도핑되었고, 주위 조건 하에서 120 Ω의 낮은 시트 저항을 발생시킨다. 그래핀-강전기성 투명 전도체는 강전기성 폴리머의 투명한 성질 때문에 가시광선에서 근적외선까지 95% 이상의 투과성을 가진다. 이것의 뛰어난 기계적 유연성, 화학적 비활성, 강전기성 폴리머의 간단한 제조 프로세스 때문에, 제안된 그래핀-강전기성 투명 전도체들은 대면적 그래핀 기반의 투명 전극과 광전자장치를 위한 새로운 방향을 제시할 것이다.

    이 방법의 장점은 이런 전하 기여가 지극히 길고 지속적이라는 것이다. 또한 재료에 손상을 가하지 않거나 그래핀의 높은 광 투과성을 손상시키지 않는다. 더 나아가, 제조 프로세스는 대량 생산이 가능하고 산업 분야에 적용 가능하다.

    상업적 분야에 적용하기 전에, 심지어 더 높은 전도성이 바람직하다: ITO의 전도성은 하이브리드 그래핀(강전기성 폴리머)보다 약 20% 더 우수하다. 이번 연구팀은 이런 문제점을 극복하려고 노력하고 있고 이런 그래핀/폴리머 장치의 디자인과 제조를 최적화시키고 향상시킴으로써 박막의 전도성을 두 배로 높이는 연구를 진행하고 있다. 이것이 성공하면, 투명 전도체의 상업적 가능성을 매우 향상시킬 수 있을 것이고 그래핀의 폭넓은 적용을 더 앞당길 수 있을 것이다.

    이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Graphene?Ferroelectric Hybrid Structure for Flexible Transparent Electrodes” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nn3010137).

    그림. 투명 전도체로 사용될 수 있는 그래핀 박막의 이미지 및 특성.
    키워드 : 그래핀, 폴리머 박막, 전도체
    해외과학기술동향
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