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오영제 KIST 광전소재연구단 박사
현재 웨어러블 전자기기나 센서, 플렉시블 디스플레이, 유기태양전지 등 다양한 플렉시블 디바이스들의 상용화를 위해서 전기적 성능을 만족시키면서도 향상된 내구성이 요구되고 있어 더 나은 진보를 위한 관련 연구가 전세계적으로 진행되고 있다.
이에 최근 오영제 KIST 광전소재연구단 박사는 접거나 변형시키는 자극이 가해져도 내구성이 향상된 플렉시블(유연) 투명전극을 개발했다.투명전극 소재로 은나노와이어와 그래핀, 탄소나노튜브를 도입해 매우 뛰어난 기계적 내구성과 그 동안 제약을 받아온 수명 문제를 획기적으로 해결한 것이다.
본지는 향후 플렉시블 디바이스 시대를 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대되는 해당 연구를 수행한 오영제 KIST 광전소재연구단 박사와의 인터뷰를 통해 신소재 개발 과정과 파급효과를 들어보는 자리를 마련했다.

“은나노와이어로 플렉시블 디바이스 시대 앞당긴다”



오영제 KIST 차세대반도체연구소 광전소재연구단 박사

■ KIST 광전소재연구단에 대한 소개 부탁 드린다


한국과학기술연구원(원장 이병권, KIST) 광전소재연구단은 미래 신산업 유망분야인 유연전자(softronics)의 핵심 소재 관련 연구를 수행하고 있다. 또한 기존의 반도체소자 플랫폼의 한계를 극복하기 위해 Ⅲ-Ⅴ화합물소자를 기존의 플랫폼에 적용하는 연구를 진행하고 있다.

연구단에서 진행하는 세부연구내용은 ∆유연 전자소자를 위한 핵심소재 연구 ∆Fiber기반 광전소자 연구 ∆중적외선 포토닉스 소자연구 ∆차세대광전소자 연구 등이다.

이번 하이브리드 다층막을 적용한 연구성과도 연구단에서 중점적으로 추진하고 있는 유연 전자소자를 위한 핵심소재 연구의 일환으로 은나노와이어의 안정성 및 수명 문제를 해결한 것이다. 향후 간단한 공정과 저비용으로 고내구성 플렉시블 디바이스용 투명전극을 제작에 도움을 줄 것으로 보인다.

■ 은나노소재를 플렉시블 투명전극 대체재료로 사용하게 된 배경은

우선 투명전극 연구는 전도성 고분자 재료와 나노소재들을 주로 활용하고 있다. 기존에는 ITO(Indium Tin Oxide)가 투명전극재료로 크게 각광을 받고 있다.

그러나 전기적, 광학적 특성이 매우 우수한 ITO는 기계적 특성이 낮아 플렉시블 디바이스에는 사용하기 어려웠으며 ITO에 들어가는 인듐이 유해하며 한정된 자원량, 고가인 까닭에 이에 대한 대체전극 개발이 절실한 상황이었다.

ITO를 대체하기 위해 최근 부상하고 있는 소재가 바로 ‘은나노와이어(Ag nanowire)’다. 뛰어난 전기적 특성과 광학적 특성을 보유하고 있으며 매우 유연한 특성을 가져 투명전극용 나노소재로서 가능성과 유기태양전지나 OLED, 디스플레이, 웨어러블 센서 등의 전극 물질로 적용키 위한 다양한 응용연구들이 진행되고 있다.

하지만 은나노와이어 역시 비싼 가격으로 상용화에는 무리가 있었고 대부분 연구도 은나노와이어 투명전극의 전기적/광학적 특성과 효율을 향상시키는데 집중해 은나노와이어의 장수명화나 기계적인 내구성 향상에 관한 체계적 연구는 매우 미진한 실정이었다.

이에 연구진은 은나노와이어를 매우 저렴하게 제조할 수 있는 양산기술 연구와 은나노와이어의 특성을 투명전극에 활용하기 위한 연구를 시작했다.

KIST 광전소재연구단과 김대은 연세대학교 무한내마모연구단 교수, 김창래 박사팀과 공동 연구를 통해 전기적·광학적 특성을 지닌 은나노와이어와 우수한 기계적 특성을 가진 탄소 나노소재 기반의 하이브리드 코팅막을 제조해 매우 유연하면서도 투광도와 면 저항 등 광학적, 전기적 특성이 상용화를 위한 요구조건을 모두 충족시킨 플렉시블 투명전극을 개발하게 됐다.


은나노와이어-탄소나노소재 복합 코팅막…내구성·수명↑

저비용, 180도 접고 피는 유연성, 2000회 굽힘 가능






■ 연구과정과 연구 성과에 대한 설명 부탁드린다


우선 연구진은 은나노와이어를 매우 싸게 제조 할 수 있도록 그 양산기술을 자체 확보한 뒤 이의 수명을 획기적으로 향상시킬 목적으로 그래핀과 탄소나노튜브의 우수한 기계적 특성을 이용한 하이브리드형 플렉시블 투명전극을 제작했다.

그 결과 그래핀, 탄소나노튜브와 은나노와이어를 기반으로 한 다층 구조의 투명전극 막은 단일층 구조의 은나노와이어 전극보다 훨씬 우수한 기계적 특성을 나타내는 것을 확인했다.

연구진은 이를 체계적으로 평가하기위해 탄소기반 나노소재에 의해 변화되는 기계적 특성을 정량적, 체계적으로 분석하고, 변형에 대한 내구성을 평가한 결과 하이브리드 막으로 적용된 그래핀과 탄소나노튜브는 굽힘 및 접촉 미끄럼운동으로 인한 은나노와이어의 손상을 방지하는 점을 처음 규명했다.

연구 결과에 따르면 그래핀, 탄소나노튜브를 적용시킨 하이브리드 다층구조 막은 은나노와이어 단일층 막과 비교해 굽힘 내구성을 수십~수백 배 이상 향상시켜 수명 향상을 가져왔다.

이번에 개발한 투명전극은 2,000회 이상 완전히 180도 접고 펴고를 반복하여도 성능을 유지하여 수명의 기대치가 반영구적이다.

통상적으로 그래핀과 탄소나노튜브는 굽힘 및 접촉 미끄럼 운동으로 인한 은나노와이어의 손상을 방지시킬 수 있는데 이는 은나노와이어 층을 덮고 있는 탄소나노튜브 층이 스프링과 같은 역할을 해 접촉압력과 굽힘 응력을 효과적으로 분산시키는 것으로 나타났다.

연구진은 표면에 형성된 그래핀이 고체윤활제 역할을 하여 마찰력 및 전단응력을 감소시킴을 규명하였다. 또한 실제 디바이스로의 실증을 위해 유연한 투명전극 발열기로 제작해 우수한 성에 제거 특성도 검증했다.

■ 이번 연구가 가지는 의미와 소감 한 말씀

기존에 간헐적으로 발표된 그래핀, 탄소나노튜브 코팅막에 비해 본연구의 은나노와이어 기반의 하이브리드형 플렉시블 투명전극은 웨어러블 전자 디바이스, 웨어러블 센서, 플렉시블 디스플레이 등 다양한 플렉시블 디바이스들로의 적용을 앞당길 수 있는 한 단계 진보된 기술이다.

특히, 나노소재의 구조적 코팅 기술을 적용해 은나노와이어와 탄소 나노소재 복합다층구조 코팅막을 제작함으로서 수명 문제가 획기적으로 해결된 점은 플렉시블 디바이스의 상용화를 가속시킬 것으로 본다. 향후 각종 디바이스로의 적용을 위한 후속 실증연구를 통해 고내구성 플렉시블 투명전극의 상용화를 진행할 예정이다.

또한 이번 하이브리드 다층막을 적용한 연구로 은나노와이어의 안정성 및 수명 문제를 해결시킨 시너지 효과를 나타내 간단한 공정과 저비용으로 고내구성 플렉시블 디바이스용 투명전극을 제작할 수 있어 상용화를 앞당길 것으로 기대한다. 이 신기술을 기업에 이전 및 기술지원 할 계획이기 때문에 관심있는 기업 관계자들의 많은 문의를 당부드린다.
구부림 변형에 대한 플렉시블 투명전극 발열기의 성에 제거 성능 평가. 그림 순서대로 투명전극 표면에 성에를 형성시키고, 투명전극을 구부린다. 이때 전극에 전압(V)을 가해 열을 발생시키면 성에가 제거된다. 또 구부림 변형을 제거하면 원래의 형태로 돌아온다.

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