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인듐 대신할 투명전극 필름 나왔다

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-02-14 23:16
조회 679
    희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략적 자원으로 평가된다. 그 가운데서도 인듐은 ‘제2의 희토류’로 불릴 만큼 중요한 광물로, 투명하면서도 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰 등의 투명전극 필름 원재료로 사용된다.

    그러나 광석 1톤 당 약 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 주석이나 납 등과 함께 존재하기때문에 광물 확보에 어려움을 겪고 있으며, 나라마다 이 자원을 확보하는 일이 매우 중요한 과제가 됐다.

    안전성 높인 투명전극 개발

    이런 가운데 성균관대 화학과 이효영 교수팀 연구가 큰 주목을 받고 있다. 은나노와이어(silver nanowire)를 산화그래핀으로 코팅함으로써 인듐을 대체할 수 있는 투명전극 원천기술을 개발한 것이다.

    ▲ 이효영 성균관대 화학과 교수 ⓒ한국연구재단

    주목할 점은 이 교수팀이 ‘은나노와이어’와 ‘산화그래핀’의 절묘한 결합에 성공했다는 것이다. 이효영 교수는 “은나노와이어는 금속의 일종으로 소량으로도 낮은 저항을 구현할 수 있다"고 말했다. "또 가늘고 긴 나노와이어라는 형태상 특성으로 인해 기판이 휘어져도 깨지지 않아 유연성을 지향하는 기기에 매우 적합하다”고 설명했다.

    그러나 이토록 유용한 물질임에도 불구하고, 그동안 대면적 디스플레이에 은나노와이어를 사용하는 게 여의치 않았다. 산화와 물리적 스트레스에 약하다는 단점이 있었기 때문이다. 이를 위해 연구팀이 선택한 것은 은나노와이어에 보호층을 입히는 일이었다.

    보호층은 부식을 막고 물리적 스트레스를 견딜 수 있는 힘을 제공하기 위한 것이었지만, 기존의 방식을 그대로 유지하기에는 다소 무리가 있었다. 기존에는 고분자로 코팅을 했기 때문에 표면이 두꺼워져 은나노와이어의 최대 장점으로 불리는 투명도와 전기전도도가 떨어지기 때문이었다. 그래서 이 문제를 해결한 것이 산화그래핀이다.

    코팅막의 종류에 따라 은나노와이어의 저항을 증가시키기도 하고 투명도를 낮추기도 하는 만큼 이를 최소화 할 수 있는 산화그래핀이 사용된 것이다. 이효영 교수는 전기가 전혀 통하지 않은 부도체이면서 동시에 친수성을 갖고 있는 산화그래핀 2차원 박막을 사용했다고 밝혔다. 이를 통해 투명도가 높고 빛반사가 낮은 은나노와이어 필름기술을 개발할 수 있었다는 것.

    연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면, 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 높일 수 있다는 점에 착안했다. 이렇게 할 경우 은나노와이어의 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 모두 유지할 수 있으며 뿐만 아니라 2개월 이상 공기 중에 노출시켜도 산화되지 않는다고 보았다.

    예상이 적중했다. 친수성 기판과 강하게 결합한 산화그래핀은 은나노와이어를 효과적으로 잡아주는 역할을 해 은나노와이어만을 적층한 투명전극보다 저항을 11.9~53.14% 낮춰주었다. 면저항의 균일도도 약 14배 증가시키며 빛 반사율을 낮추고 투과율 또한 크게 향상시켰다. 이외에도 휘어짐 테스트에서 기판이 휘어지는 동안 산화된 그래핀은 은나노와이어의 유효 접촉점이 떨어지는 것을 방지해 저항변화 측면에서 유효한 차이를 얻을 수 있었다.

    희귀자원 안정적 확보 가능

    ▲ 투명 전극 구조 ⓒ한국연구재단

    새로 개발한 기술의 가장 큰 장점은 산화그래핀을 이용해 은나노와이어의 산화를 일으킬 수 있는 가스와 용매로부터 안정성을 크게 높였다는 점이다. 또한 친수성이 높은 기판과 친수성이 강한 산화그래핀의 강한 접착력을 이용, 나노와이어간의 접촉을 증가시켜 낮은 저항 뿐 아니라 빛 반사를 향상시켰다는 점도 매우 의미가 있다.

    이 교수는 “이번에 시현한 투명전극은 유연한 PET를 기반으로 한 것으로 플라즈마 공정을 이용해 각 물질간의 상호작용을 증가시켜 여러 번의 밴딩테스트에도 안정한 유연한 투명전극을 만들었다는 점이 중요하다”고 말했다.

    이 기술로 인해 희귀광물인 인듐을 대체할 물질을 확보할 길을 열었지만 연구 과정은 그야말로 인내와 인내를 거듭하는 시간이었다. 이효영 교수는 무엇보다 은나노와이어와 산화그래핀을 적층하는 과정에서 대면적의 필름을 고르게 생산하는 것이 가장 어려웠다고 회고했다.

    “바코팅, 스틴코팅의 경우 실험실 단위의 작은 필름을 만들 때에는 큰 문제없이 전면이 1% 내외의 오차를 보이는 균일한 전극을 생산 할 수 있었는데, 30인치 이상의 필름을 제조하다보니 제조공정에 따라, 필름의 위치에 따라 약간의 차이가 보였다"고 말했다. 그러나 "나노스프레이 기계를 이용해 은나노와이어와 산화 그래핀을 적층시켰더니 전 면적에서 균일한 저항도와 나노와이어 분포도를 관찰할 수 있었다”고 말했다.

    이 교수팀의 연구결과는 태양전지 뿐 아니라 현재 많이 사용되고 있는 스마트폰과 노트북, 일체형 TV, 대형 스크린의 디스플레이에 들어가는 OLED, LED에도 적용이 가능하다. 이 교수는 “더 나아가 나노와이어의 특성상 고정화된 기기 뿐 아니라 최근 이슈가 되고 있는 플렉서블 기기에도 다방면으로 이용할 수 있다”고 말했다.
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