▲ 개발한 상온 플라즈모닉 레이저 소결을 통한 구리 나노와이어 산화억제 공정(a)과 기존 나노와이어의 열처리 방식(b).

국내 연구진이 상온에서 레이저를 이용해 구리 나노와이어의 산화를 억제하며 구리 나노와이어 그물망을 제작하는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업을 통해 서울대 기계항공공학부 고승환 교수 연구팀과 카이스트 기계항공공학부 양민양 교수 연구팀, 한승용 연구원(제1저자, KAIST), 홍석준 연구원(제 1저자, 서울대) 등이 레이저를 이용한 구리 나노와이어 열처리기술을 개발했다고 지난 8일 밝혔다.

투명전극의 소재로 널리 쓰이는 고가의 ITO(인듐주석산화물)를 대체하기 위해 구리 같이 전기전도도가 뛰어나면서 매장량이 풍부한 금속을 활용하려는 연구가 활발하다.

특히 가느다란 나노와이어 형태로 만든 구리를 그물망처럼 엮으면 투명전극으로서 활용가능성이 높은 투명한 전도성 막(멤브레인)이 만들어진다. 하지만 이들 나노와이어가 서로 겹치는 부분에서 나타나는 저항을 낮추기 위해 필요한 열처리 과정에서 구리가 산화되면서 전도성이 떨어질 수 있다는 것이 단점이었다.

이에 연구팀은 레이저의 광에너지를 열에너지로 변환, 구리 나노와이어들간 겹치는 접합부분만을 선택적으로 가열하는 열처리 방법을 개발했다.

기존 열처리는 짧게는 수초, 길게는 수분 동안 기판 전체에 열을 가하는 방식으로 수초 이내 구리가 산화되면서 전도성을 잃었다. 이에 반해 연구팀은 선택적인 가열을 통해 공기 중에서 구리의 산화를 억제해 전기전도도 저하문제를 극복할 수 있는 길을 열었다.

특히 레이저광을 아주 빠른 속도로 조사하면(100mm/s~1,000mm/s) 접합 부분에서의 가열시간을 10^-5~10^-4초로 크게 단축, 공기 중 열처리에도 불구하고 구리의 산화정도가 미미하다고 연구진은 설명했다.

이러한 열처리를 위한 원리는 나노와이어간 겹치는 부분에서만 강화된 전기장을 이용하는 것이다. 전기장이 순간적으로 열로 변환돼 나노와이어들을 서로 녹여 붙여 열처리의 목적인 저항감소를 돕는 것이다.

고 교수는 “광에너지의 선택적 변환을 이용해 열에 약한 플렉시블 기판 위에서도 같은 공정을 사용, 손쉽게 구리 나노와이어 전극을 형성할 수 있었다”고 밝혔다.