|
|
|
|
|
무질서한 은 나노와이어(silver nanowire)를 원하는 방향으로 정렬시켜 고성능 투명전극을 만드는 획기적 인쇄기술이 개발됐다. 차세대 유연 투명전극 재료로 각광받는 은 나노와이어의 단점을 해소해 상용화의 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다. UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 고현협․김진영 교수팀은 은나노와이어를 원하는 기판에 원하는 방향으로 정렬시키는 인쇄기술을 개발했다. 이렇게 만든 은 나노와이어로 제작한 투명전극은 표면이 매끄럽고 높은 전기전도성과 투명도를 가진다. 이 덕분에 태양전지나 유기발광다이오드(OLED)에 적용할 때 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 은 나노와이어는 단면의 지름이 나노미터(㎚) 단위인 아주 작은 선(線)으로 유연하면서 전도성이 뛰어난 물질이다. 이 특성 때문에 기존 투명전극의 재료로 쓰이는 ‘인듐주석산화물(ITO)’을 대체할 차세대 투명전극 물질로 주목받고 있다. 특히 플렉서블 터치패널이나 디스플레이 시장에서 대면적으로 생산이 가능한 은 나노와이어 투명전극에 대한 관심이 높다. 하지만 기존 은 나노와이어 투명전극은 표면이 거칠고, 나노와이어끼리 접촉 저항이 컸다. 또 햇빛에 반사돼 뿌옇게 보이는 ‘헤이즈(Haze)’ 현상도 나타나는 한계점이 있었다. 이 때문에 산업계에서 은 나노와이어를 적극적으로 활용하기 어려웠다. 이번 연구를 주도한 강세원 UNIST 박사과정 연구원은 “유기태양전지나 OLED 같은 광전자소자는 표면이 매끄럽고 투명할수록 높은 효율을 얻을 수 있다”며 “지금까지 은나노와이어는 투명전극 제조 과정에서 여러 개의 은 나노와이어가 그물망처럼 무질서하게 결합되므로 표면이 울퉁불퉁하고 투명도를 향상시키기 어렵기 때문에 소자의 적용에 한계점을 보였다”고 설명했다. 연구진은 은 나노와이어 투명전극의 한계를 극복하기 위해 기존 인쇄공정에 나노기술을 접목했다. 실리콘 고무 위에 수백 나노미터(㎚)의 나노패턴을 만들고 이를 인쇄 장치에 부착해 은 나노와이어를 정렬시킨 것이다. 실리콘 고무 패턴 안을 통과한 은 나노와이어는 용액이 증발하면서 발생하는 모세관 힘에 의해 정렬한다. 이렇게 기판 위에 정렬된 은 나노와이어는 서로 불필요하게 엮이지 않으면서 네트워크를 형성한다. 투명전극 표면이 매끄러워지고 투명도도 높아지는 효과를 얻게 되는 것이다. 고현협 교수는 “정렬된 은 나노와이어 네트워크를 이용한 투명전극은 전기가 흐르는 연결 구조를 쉽게 조절할 수 있어 성능 좋은 투명전극을 만들기 유리하다”며 “이 전극은 기존에 비해 균일하고 매끄러운 표면을 가지기 때문에 고효율 유기태양전지나 및 OLED 소자 제작이 가능하다”라고 말했다. 연구진은 제작된 전극을 플렉서블 유기태양전지에도 적용해봤다. 또 다른 제1저자인 김태효 UNIST 석․박사통합과정 연구원은 “이번 연구에서 개발된 태양전지의 효율은 기존에 보고된 은 나노와이어를 이용해 제작한 태양전지 중에서 가장 높은 효율을 보였다”고 말했다. 김진영 교수는 “정렬된 은 나노와이어를 이용한 고성능 투명전극은 유기태양전지나 OLED 디스플레이와 같은 플렉서블 광전자소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 기술”이라며 “대면적 인쇄 기반으로 나노와이어를 정렬하는 기술은 다양한 나노와이어에 적용이 가능해 스마트 센서나 웨어러블 기기에도 충분히 활용할 수 있을 것”이라고 평가했다. 이번 성과는 나노 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최신호 온라인 속보로 발표됐다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단) 그리고 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다. (끝) (논문명: Capillary Printing of Highly Aligned Silver Nanowire Transparent Electrodes for High-Performance Optoelectronic Devices) |
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경투명전극은 태양전지, 터치패널, 유기발광다이오드와 같은 다양한 광전자 소자 및 디스플레이 산업의 핵심 부품이다. 투명전극의 대표적인 재료인 ITO(인듐주석산화물)는 가격 상승과 더불어 유연한 전자기기(flexible device) 적용의 한계를 가진다. 이에 따라 최근에는 전기 전도성과 광학적 투과율이 뛰어날 뿐만 아니라 매우 유연해 플렉서블(flexible) 및 웨어러블(wearable) 소자에 적용이 가능한 은 나노와이어가 차세대 디스플레이 및 광전자 소자 대체물질로 주목 받고 있다. 하지만 스핀 코팅, 바 코팅, 스프레이 코팅과 같은 다양한 용액 방식으로 코팅되는 나노 단위의 은 나노와이어는 제어가 불가능해 매우 불규칙하고 무질서한 네트워크 구조를 형성하게 된다. 이러한 불규칙한 네트워크는 은 나노와이어간의 접촉저항을 높일 뿐만 아니라 표면 거칠기를 높여 태양전지나 OLED와 같은 매끈한 투명전극 표면특성이 요구되는 전자 소자의 적용에 어려움을 겪고 있다. 은 나노와이어를 제어 및 정렬시키기 위한 연구들은 세계 다양한 연구그룹들에서 진행됐다. 하지만 기존의 ‘은 나노와이어 정렬 기술’은 공정 과정이 복잡하거나 산업적으로 응용하기에 어렵다는 한계점을 가진다. 아직까지 정렬된 은 나노와이어를 기반으로 한 투명전극을 제조해 이를 직접 전자 소자에 적용한 연구는 보고된 적이 없다. 이번 연구에서는 나노패턴이 형성된 PDMS 점탄성 고분자 필름을 제조하고, 이러한 나노기술을 산업적으로 응용 가능한 대면적 인쇄 공정과 결합한 새로운 인쇄 기술을 개발했다. 이런 방식으로 은 나노와이어를 정렬하는 공정은 은 나노와이어의 전도성 네트워크 구조를 최적화시켰다. 그 결과, 매우 낮은 저항과 높은 투과율을 가지는 투명전극을 만들 수 있었다. 이를 태양전지 및 OLED 소자에 응용하자 매우 높은 성능을 보이는 태양전지 및 유기발광다이오드소자를 제작, 보고할 수 있었다. |
2. 연구내용이번 연구에서는 기존의 무질서한 은 나노와이어를 원하는 기판에 인쇄하는 공정을 개발했다. 이를 통해 은 나노와이어를 원하는 방향으로 배열하고 전도성 네트워크 구조를 효과적으로 제어했다. 이는 높은 성능을 보이는 은 나노와이어 기반 투명전극 필름 제조로 이어졌다. 이 소자에 응용해 높은 효율을 가지는 태양전지 및 PLED 소자도 제작했다. 재료적인 측면에서 ‘낮은 면 저항’과 ‘뛰어난 광 투과율’을 가지는 고성능 투명전극 소재를 구현했다는 의미가 있다. 용액 상태의 무질서한 은 나노와이어를 원하는 방향으로 정렬시키고, 공정 최적화를 통해 은 나노와이어 전도성 네트워크를 효과적으로 제어한 덕분이다. 배열된 은 나노와이어 기반 투명전극은 뛰어난 성능을 보일 뿐 만 아니라 기존의 무질서한 은 나노와이어 투명전극에 비해 표면 구조가 균일하고 표면 거칠기도 낮았다. 특히 배열된 은 나노와이어 투명전극은 다양한 기판 위에 적용할 수 있고, 인쇄 기반으로 대면적 공정이 가능해 상용화에 유리하다. 소자적인 측면에서는 기존 은 나노와이어 기반 태양전지의 한계를 넘어선 높은 효율을 얻었다. 상용화 단계에서 은 나노와이어의 가장 큰 문제점 중의 하나는 높은 표면 거칠기와 고르지 못한 표면 구조였다. 태양전지 같은 전자 소자에 적용하려면 매끄럽고 고른 구조가 필요했던 것이다. 이번에 개발한 ‘정렬된 은 나노와이어 투명전극’은 은 나노와이어간의 불필요한 접촉을 최대한 줄여 기존의 은 나노와이어 투명전극에 비해 ‘낮은 표면 거칠기’와 ‘균일한 표면 구조’를 보이고 높은 투과도를 가진다. 이런 장점 덕분에 태양전지와 PLED 소자에 적용시킬 경우 기존의 은 나노와이어 기반 유기태양전지 및 OLED의 성능을 크게 향상시킬 수 있었다. |
3. 기대효과이번 연구에서 새롭게 개발된 ‘은나노와이어 정렬 인쇄 기술’은 기존의 은 나노와이어의 무질서한 네트워크로 인해 발생하는 여러 한계점들을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 대면적 인쇄 기반 공정으로 다양한 산업에서 상용화될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 연구에서 소개된 ‘배열된 은 나노와이어 투명전극’을 이용한 고효율 태양전지 및 PLED 소자 구현은 터치패널, 플렉서블 디스플레이, 태양전지, PLED 산업 등 다양한 산업에 상용화 가능성을 보여줬다. 이번 논문에서 소개된 나노패턴이 형성된 PDMS 점탄성 고분자 필름을 이용한 은 나노와이어 배열 인쇄 공정 기술은 태양전지와 PLED 소자와 더불어, 다양한 금속 및 반도체 나노와이어 공정에도 적용될 수 있다. 더 나아가서는 최근 주목받고 있는 웨어러블 센서 시장 등의 다양한 분야에서 응용될 가능성도 매우 높은 기술이다. |
|
[붙임] 용어설명 |
1. 나노 레터스(Nano Letters)미국화학회(American Chemical Society ACS)에서 발행하는 나노 분야(Nano)를 다루는 세계적으로 권위 있는 학술지이다. |
2. 은 나노와이어(Silver nanowire)나노미터 단위의 단면 지름 크기를 가지는 은 극미세선을 말한다. 높은 종회비로 매우 유연할 뿐만 아니라 높은 전기전도도를 가지고 있는 은 나노와이어는 투명전극, 레이저, 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 활용된다. |
3. 투명전극(Transparent conducting electrode)높은 전기전도도를 가지는 동시에 가시광선에 대해서 높은 투과율을 보이는 전극을 말한다. 그 재료로는 주로 ITO(인듐-주석-산화물)라는 산화물이 사용돼 왔으나, 최근에는 인듐 가격상승으로 탄소나노튜브, 그래핀, 금속 나노와이어, 전도성 고분자 등과 같은 물질이 대체재로 주목받고 있다. |
4. 모세관 힘(Capillary force)고체에 접근된 액체면의 분자를 고체가 잡아끄는 힘. 모세관 현상을 일으키는 힘을 말한다. |
|
[붙임] 그림설명 |
|
그림 1. 용액 공정 기반 은 나노와이어 어레이 및 정렬 원리
|
|
그림 2. 코팅 속도와 은 나노와이어 농도에 따른 정렬 수준 제어
|
|
그림 3. 정렬된 은 나노와이어 기반 투명전극의 성능 분석
|
|
그림 4. 정렬된 은 나노와이어를 적용한 PLED 소자의 구조와 특성
|
|
그림 5. 정렬된 은 나노와이어 기반 태양전지 성능
|
|
그림 6. ITO, 무질서한 은 나노와이어, ITO 기반 소자와 비교한 정렬된 은 나노와이어 기반 태양전지와 PLED 성능 측정 결과표 |
|
그림 7. 기계적 응력하에서 측정된 정렬된 은 나노와이어 기반 플렉서블 PLED와 태양전지의 성능변화
|
|
UNIST 홍보대외협력팀 newscenter@unist.ac.kr TEL : 052)217-1234FAX : 052)217-1229 |
