[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

현재 다양한 전자기기들이 소형화되고 휴대성이 높아지고 있어 이에 적용할 수 있는 전극 소재의 탐색이 필요하다. 특히 접을 수 있는 형태나 입을 수 있는 형태의 기기에 적용할 수 있는 전극 소재의 개발이 중요하다. 왜냐하면 현재까지 가장 많이 상용화되어 있는 투명 전극 소재는 ITO(indium tin oxide)로 깨지기 쉬운 특성을 가져 유연한 형태의 전자기기에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 또한 비싼 인듐(indium )금속으로 인해 가격이 비싸고 자원 고갈의 문제도 가지고 있다. 따라서 ITO를 대체할 수 있는 소재에 대한 탐색이 필요했다. 다양한 후보군 중 은 나노와이어는 ITO와 대적할 만큼 전도도와 투명도가 우수하여 차세대 투명 전극 소재로 주목받고 있다.

하지만 은 나노와이어 역시 해결해야 할 과제가 존재한다. 나노 크기의 은을 와이어 형태로 제작하기 위해선 특정 방향으로의 성장을 유도하는 물질(capping agent 이자 리간드)의 첨가가 필수적이다. 일반적으로 capping agent(리간드)로 PVP(Polyvinylpyrrolidone)가 활용된다. PVP는 절연성 고분자이며 물과 친화력이 높은 특성을 가진다. 이 특성들은 은 나노와이어로 투명 전극을 제작할 때 나쁜 영향을 미친다. 은 나노와이어가 그물망 형태로 서로 연결되어 전기가 흐르는 네트워크를 형성하여 투명 전극으로써 활용된다. 이때 접촉된 두 은 나노와이어 사이에 존재하는 PVP의 절연성으로 인해 높은 접촉저항이 발생하여 투명 전극의 전도성이 낮아지는 문제가 발생한다. 또한 물과 친화력이 높은 특성으로 인해 은 나노와이어가 수분에 의해 쉽게 산화되어 망가지는 안정성 문제도 일으킨다.

이러한 문제를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되었지만, 기존의 방법들은 레이저(laser), 플라스마(plasma)와 같은 고에너지를 발생시킬 수 있는 특정한 장비가 필요하거나 진공과 같은 특정 환경을 요구하여 실제로 활용하기엔 어렵다. 따라서 손쉽게 문제를 해결할 방법이 필요했다.

2.연구내용

본 연구에서는 은 나노와이어 표면에 존재하는 절연성 물질인 PVP를 바꾸는 스핀 코팅 용액 공정 기반의 리간드 교환(ligand exchange) 전략을 제시했다. 개발된 리간드 교환 방법은 빠르고 손쉽게 은 나노와이어 표면에 존재하는 리간드를 변화시켜 전도성과 안정성이 향상됐다.

리간드 교환은 비교적 더 안정적인 리간드를 선호하는 특성에 의해 자발적으로 발생하며 리간드의 변화는 부착된 중심 금속의 물리화학적 특성을 변화시킬 수 있다. 이를 효과적으로 간단한 용액 공정을 통해 달성하기 위해서 본 연구팀은 용액의 물리화학적 특성에 기반하여 탐색을 진행했다.

PVP 리간드를 녹여 제거할 수 있는 용액으로 알코올류를 선정했으며, 특히 알코올류는 수소결합이라 불리는 분자간 결합을 PVP와 형성할 수 있어 더욱 안정적인 형태를 형성할 수 있다.

그중 에틸렌글리콜(ethylene glycol)은 두 개의 수소결합 부위를 가지고 있으며 용액 공정에 최적화된 점도와 휘발성으로 인해 안정적인 복합체가 형성된다. 이 복합체는 효과적으로 PVP 리간드를 대체하여 은 나노와이어 표면에 존재한다. 리간드 교환은 빛과 엑스선을 쪼여 성분을 분석하는 방법들을 통해 검증했다.

더불어 리간드 교환된 은 나노와이어를 전기매트와 같은 전기를 통해 열을 발생시키는 장치로 활용했다. 향상된 전도성과 안정성으로 인해 기존 대비 35% 향상된 열 생산 능력을 보였으며 고온(120 ℃)에서 장기 안정성을 나타냈다.

3.기대효과

본 연구에서는 리간드 교환을 통해 효과적으로 은 나노와이어의 특성을 항상 시킬 수 있는 전략을 제시했다. 리간드 교환된 은 나노와이어는 우수한 전기전도성과 안정성을 기반으로 전기로 열을 발생시키는 줄 히터(온열 기구, 차량 성에 제거) 혹은 폴더블 디스플레이와 같은 유연성 기기의 투명 전극과 같은 다양한 전자 기기에 광범위하게 접목될 수 있을 것이라 기대된다.

이번 연구는 은 나노와이어의 한계를 해결하는 방법으로 리간드 교환이 효과적임을 보여준다. 여기에서 제시된 리간드 교환은 기존 보고된 방법들 대비 간단하고 저렴하고 빨라 상업적 활용이 가능할 것으로 기대된다. 리간드 교환된 은 나노와이어는 향후 다양한 전자기기에 적용될 가능성을 높여 은 나노와이어 투명 전극의 대중화를 이끌 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.은 나노와이어(silver nanowires)

은으로 구성되며 직경이 수십 나노미터, 길이가 수십 마이크로미터 크기의 원통형 전도성 물질이다. 은으로 구성된 긴 와이어 형태로 전기 전도도가 높고 작은 크기로 인해 가시광선을 투과시켜 투명도를 지닌다. 높은 종횡비로 인해 와이어 간의 접촉이 용이하여 전기가 흐르는 네트워크 형성에 유리하다. ITO 투명전극 대비 균열에 강하고 반복 굴곡 환경에서 안정성이 높다. ITO 대비 간단한 코팅방법(스프레이 코팅, 바 코팅 등)으로 투명 전극 제작이 가능하다.

2.스핀 코팅(Spin Coating)

스핀코팅은 회전(Spin)을 이용한 박막 코팅 방식이다. 평평한 기판 위에 용액을 한 방울 떨어뜨린 뒤, 그 기판을 빠르게 회전시키면 원심력으로 용액 코팅층이 코팅하고자 하는 물체의 표면에 고르게 입혀진다.

3.리간드 교환(lignad exchange)

리간드는 중심금속 주위에 결합하고 있는 분자나 이온을 의미한다. 리간드 교환은 기존 리간드 A가 새 리간드 B로 자리를 바꾸는 반응이다. 리간드 교환은 금속과 기존 리간드의 결합 에너지보다 금속과 새 리간드의 결합 에너지가 더 강할 경우 자발적으로 발생한다.이번 연구에서는 중심 금속이 은이 되고, PVP와 에틸렌글리콜이 리간드가 된다.

4.수소결합(hydrogen bond)

질소, 산소, 플루오린 등 전기를 끌어당기는 정도가 강하고 크기가 작은 원소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 정전기적 인력의 일종의 분자간 인력이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 스핀 코팅을 이용한 은 나노와이어 표면(리간드) 교환 과정 모식도

은 나노와이어(AgNWs)의 표면을 감싸 절연체 역할을 하던 기존 PVP 피복이, 스핀 코팅 과정에서 에틸렌글라이콜(EG) 리간드로 자발적으로 교체되는 과정을 보여준다. 왼쪽의 AgNWs–PVP는 두꺼운 절연층 때문에 전류가 흐르기 어렵지만, 오른쪽의 AgNWs–EG는 EG가 PVP와 수소결합을 형성해 복합체를 만들며 표면에 안정적으로 흡착함으로써 전도성과 내구성이 크게 향상된다. 중앙의 ‘리간드 선택 규칙’은 점도, 휘발성, 수소결합 형성 능력 등 EG의 물성이 이러한 자발적 교환 반응을 가능하게 함을 나타낸다.

그림 2. 표면 물질 교환(리간드 교환)을 위해 고려해야 할 요인 a) 에틸렌글라이콜이 은 나노와이어 표면의 기존 물질과 수소결합을 이루면서, 분자 구조의 변화가 관측됐다. b) 이렇게 수소결합으로 새로운 층이 만들어지면 전자가 더 잘 이동해 전극의 전도성이 높아진다. c) 표면 물질이 바뀌면서 은 나노와이어의 전기적 특성이 달라진 것도 확인됐다. d) 계산 결과, 두 개의 수소결합으로 이루어진 구조가 가장 안정적인 형태라는 사실이 밝혀졌다. e), f) 스핀코팅처럼 짧은 시간에 진행되는 공정에서는 용액의 점도와 휘발성이 중요한데, 에틸렌글라이콜이 이 두 조건을 모두 만족하는 가장 적합한 물질로 확인됐다.

그림3. 은나노와이어 기반 투명 히터(Joule Heater) 성능 비교 분석 a) 기존 은 나노와이어 기반 투명 히터는 100 ℃이상에선 안정성이 떨어져 구동되지 못함을 확인했다. b) 리간드 교환된 은 나노와이어는 기존 대비 같은 조건에서 더 높은 열을 발생하였고 100 ℃이상에서 안정적으로 구동됨을 확인했다. c) 용액 공정의 장점을 활용하여 다양한 전도성 물질을 용액에 분산하여 응용할 경우 열 발생 성능이 향상됨을 확인했다. d,e) 발생하는 열이 은 나노와이어에 전기가 흐르기 때문에 발생한 것임을 입증했다. f) 열화상 카메라를 통해 발생하는 열이 고르게 분포함을 확인했다. g,h) 리간드 교환된 은 나노와이어는 반복, 장기 안정성이 우수함을 입증했다.