휘어지는 대면적 투명전극 필름 개발
산화그래핀과 나노와이어 활용
과학기술이 급진적으로 발전함에 따라 기존의 전자기기들은 평면성을 벗어나 유연하고 깨지지 않는 특성을 요구받고 있다. 이러한 특성을 갖춘 기기들을 제조하기 위해서 전극은 투명성과 유연성을 동시에 갖춰야 하지만, 현재 가장 대표적으로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide) 투명 전극은 유연하지 못하다는 단점과 자원적인 한계를 갖고 있다. 그러나 국내 연구진이 이런 ITO의 단점을 보완할 수 있는 은나노와이어(Silver nano wire)를 산화그래핀으로 코팅함으로써 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했다. 산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해 향후 휘어지는 디스플레이와 태양전지 등의 개발에 기여할 전망이다.
그래핀, 나노와이어, 그리고 투명전극
그래핀이란 육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다. 높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용가능성이 매우 높은 물질이다. 이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.
이 기술에서 그래핀과 결합된 나노와이어란 단면의 지름이 나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 단위인 극미세 선을 말하며 그 중에는 금속성(Ni, Pt, Au 등), 반도체(Si, InP, GaN, ZnO 등), 절연성(SiO2, TiO2 등) 등 많은 종류의 나노와이어가 존재한다. 은나노와이어의 경우 필름으로 제조하는 공정이 쉽고, 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 상대적으로 가격이 저렴하다. 그리고 나노와이어의 가늘고 긴 형태로 인해 투명하고 휘어져도 깨어지지 않아 휘어짐이 요구되는 투명 기기에 적합하다.
투명전극(Transparent electrode)이란 광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등 의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다. 생체 관련 물질의 산화-환원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.
인듐의 문제점과 은나노와이어(Silver nano wire)
기존에 투명전극 생산에 사용되었던 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고 그마저도 항상 주석이나 납 등과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않다. 또 인듐으로 만든 투명전극 ‘인듐주석산화물(ITO)’은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이 등에는 적합하지 않다. 때문에 대체물질로 비교적 생산 공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태로 인해 투명함과 휘어짐, 이 두 가지 특성을 동시에 가질 수 있는 은을 이용한 나노와이어가 주목받고 있다.
은나노와이어는 용액 공정에서 생산할 수 있어 공정이 비교적 쉽고, 대량생산이 가능하여 원가경쟁력을 갖는다. 뿐만 아니라 금속의 일종으로 소량으로 저저항을 구현할 수 있고 가늘고 긴 형태상의 특성으로 인해 기판이 휘어져도 깨어지지 않아 플렉서블을 지향하는 기기에 적용이 가능하다.
연구팀은 은나노와이어를 아주 얇은 단일의 탄소층인 산화그래핀으로 코팅하여 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 공기에 의한 산화는 견딜 수 있도록 한 유연한 투명전극 필름을 개발했다.
은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데 기존 방식처럼 고분자로 코팅하는 경우 표면이 두꺼워져 투명도 및 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었다. 하지만 산소 작용기를 가진 산화그래핀을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.
연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점에 착안했다. 이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기 중에 노출시켜도 산화되지 않는다.
이 교수는 “인듐과 같은 희귀금속이 부족한 우리나라가 세계 투명전극 필름 시장에서 지속적인 우위를 선점하기 위해서는 새로운 소재발굴이나 기술개발이 필요하다. 이번 연구결과를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어 및 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.
연구의 과정과 결과
본 연구에서는 절연성을 갖는 산화그래핀을 은나노와이어를 보호하는 코팅막으로 사용하여 공기 중에 2개월 이상 장기간 노출해도 특성이 전혀 변하지 않는 휘어지는 대면적 투명전극체를 제조하였다.
산화그래핀은 단일층으로 이루어진 탄소 나노물질로써 높은 투과율과 함께 유기용매, 열, 빛, 가스(H2S)등에 내구성을 가져 보호층으로 사용하기에 적절하다. 뿐만 아니라 산화된 그래핀의 친수성 때문에 물에 잘 분산되어 친환경적이고 공정이 쉽고, 친수성 기판과 강하게 접착되어 투명전극의 안정성, 균일도 및 투과율을 높일 수 있다.
친수성 기판과 강하게 결합된 산화그래핀은 은나노와이어를 효과적으로 잡아주는 역할을 하여 은나노와이어만을 적층한 투명전극보다 약 2배이상 저항을 낮춰주었고, 면저항의 균일도를 14배 증가시켰으며 헤이즈(Haze)와 투과율(Transmittance) 또한 향상시켰다. 또한 기계적 안정도를 측정하기 위한 휘어짐 테스트 결과, 기판이 휘어지는 동안 산화된 그래핀이 은나노와이어의 유효 접촉점이 떨어지는 것을 방지하여 저항변화 측면에서도 유효한 차이를 보였다.
산화그래핀의 절연성, 친수성, 안정성 등의 고유 특성을 고려하여 친수성을 가지는 휘어지는 투명기판 위에 은나노와이어를 적층, 그 후 산화그래핀을 스프레이 코팅하여 안정하고 내구성이 좋은 투명전극을 시현했다.
제조된 투명전극은 산화그래핀 막의 유무에 따라 공기 중에서의 저항 변화, 저항의 균일도, 필름의 투명도, 은을 부식시킬 수 있는 황화가스와 기타 용매에 대한 안정성, 물리적 스트레스에 대한 내구성을 비교 조사하였고 그 결과 각각의 항목에서 산화그래핀 보호막을 사용한 경우 전극의 질이 향상된 것을 관찰할 수 있었다.
또한 지금까지 사용되고 있는 아크릴 리신, PVA(Polyvinyalcohol), PEDOT:PSS, TiO2/PEDOT;PSS, Teflon, 은나노와이어/폴리머 복합체 등과 비교했을 때도 저항성과 내구성면에서 보다 나은 결과를 얻었다.
이처럼 공기 중에서 안정한 그래핀/은나노와이어 투명전극 개발을 통하여 향후 휘어지는 디스플레이, 접이식 터치 패널, 플랙서블 태양전지로 적용이 가능할 것으로 기대된다.
성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀이 공동으로 수행한 이번 연구결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인판에 게재되었다.
자료제공 | 한국연구재단(www.nrf.re.kr)
