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투명전극(transparent electrode)은 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로, OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품입니다.

투명전극 필름의 원료는 '제2의 희토류'로 불릴 정도로 희귀한 인듐이 사용됩니다.

인듐은 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 현재 널리 사용 중입니다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고, 그마저 항상 주석이나 납과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않습니다.

게다가 인듐으로 만든 투명전극 '인듐주석산화물(ITO)'은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이에는 적용하기 힘든 단점이 있습니다.

그럼에도 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가 간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략 자원으로 구하기조차 힘든 실정입니다.

은을 이용한 나노와이어는 인듐의 대체물질로 상대적으로 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태를 가져 투명함과 휘어지는 성질도 우수합니다.

하지만 은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데, 이를 기존 방식처럼 고분자로 코팅하면 표면이 두꺼워져 투명도와 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었습니다.

성균관대 이효영 교수와 삼성전기 김운천 박사팀은  희소 금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)에 산화그래핀으로 코팅, 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술을 개발했습니다.

산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해, 향후 휘어지는 디스플레이와  태양전지 등의 개발에 크게 활용될 전망입니다.

연구팀은 은나노와이어를 단일 탄소층인 산화그래핀으로 코팅해 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 산화는 견딜 수 있도록 만들었습니다.

투명 전극 구조

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점을 주목했습니다.

산화그래핀/은나노와이어 필름의 표면 이미지로 은나노와이어 간의 유효 접촉점을 보여줌.

이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기에 노출시켜도 산화되지 않는 특성이 생겼습니다.

이번 연구를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어와 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.


제조된 대면적 투명전극 필름 (100 × 50 cm2, 대각선 : ~44 인치)과 그 모식도

연구 결과는 네이처 자매지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 1월 23일자 온라인판에 게재되었습니다.
(논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

<연 구 개 요>

1. 서론

 휘어지는 전자기기에 대한 수요가 증가함에 따라 이에 적합한 트랜지스터, 발광다이오드, 투명전극체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그 가운데 은나노와이어는 투명전극으로 광범위하게 적용되고 있는 인듐주석산화물(ITO)을 대체할 물질로 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 플랙서블을 지향하는 기기에 적용 가능하다.

  하지만 은나노와이어를 기반으로 하는 투명전극 제조에서 가장 큰 문제점은 산화 및 물리적 스트레스를 방지하기 위해 은나노와이어 위에 부가적인 코팅막이 필요하다는 것이다.
이때 코팅막에 따라 은나노와이어의 저항을 증가시키기도 하고 투명도를 낮추기도 하는데, 산소 작용기를 가진 산화그래핀을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있었다.

2. 본론
  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.

3. 결론
  산화그래핀의 절연성, 친수성, 안정성 등의 고유 특성을 고려하여 친수성을 가지는 휘어지는 투명기판 위에 은나오와이어를 적층, 그 후 산화그래핀을 스프레이 코팅하여 안정하고 내구성이 좋은 투명전극을 시현해 보았다.
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 종래 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.


 용  어  설  명

그래핀(Graphene)
육각형 구조로 탄소와 탄소간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층을 말한다.
높은 전도성과 전하 이동도를 갖기에 응용  가능성이 매우 높은 물질이다.
이중 용액과정으로 만들어진 산화그래핀은 그래핀에 다양한 기능기가 붙은 산화된 형태를 말한다.  

 

그래핀의 격자구조 모식도


나노와이어(nanowire)
단면의 지름이 나노미터(1나노는 10억분의 1미터) 단위인 극미세선으로 금속성(Ni, Pt, Au 등)과 반도체(Si, InP, GaN, ZnO 등), 절연성(SiO2, TiO2 등) 등 많은 종류의 나노와이어가 존재한다.
은나노와이어의 경우 필름으로 제조하는 공정이 쉽고, 대량생산이 가  능할 뿐만 아니라 상대적으로 가격이 싸다.
또 나노와이어의 가늘고 긴  형태로 인해 투명하고 휘어져도 깨어지지 않아 휘어짐이 요구되는 투명  기기에 적합하다.

투명전극(transparent electrode)
광 투과성과 도전성이 있는 전극. 산화 주석, 산화 인듐, 백금, 금 등의 박막을 유리에 피복한 것이 사용된다.
생체 관련 물질의 산화-환
원 거동과 각종 재료의 일렉트로크로미즘 연구용, 태양전지와 액정표시 패널용 등에 불가결한 전극이다.  

<이효영 교수> 

1. 인적사항

소 속 : 성균관대학교 화학과

2. 학력

1997 University of Mississippi 유기화학 박사
1991 경희대학교 분석화학 석사
1989 경희대학교 화학 학사

3. 경력사항
2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학과 교수
2000 ~ 2009 : 책임연구원, 한국전자통신연구원 분자메모리소자팀(팀장)
1999 ~ 2000 : 선임연구원, 포항공과대학교 화학과, 지능초분자 연구단
1997 ~ 1999 : 박사후연구원, North Carolina State University, 화학과
1984 ~ 1986 : 육군 1군지사 (현역, 병장제대)   

4. 전문 분야 정보
- 분자전자 소재 및 소자
- 나노전자소자, 전자수송 현상
- 유기반도체 소재 및 소자 
- 유기전계발광 소재 및 소자
- 산화그래핀 소재 및 소자

5. 연구지원 정보
  2006 - 현재  교과부?연구재단 리더연구자지원사업[창의적 연구] 연구책임자

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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현재 메모리 시장을 주도하는 우리나라가 차세대 메모리 분야에서 지속적으로 우위를 선점하기 위해서는 다양한 형태의 차세대 비휘발성 메모리 소자개발이 중요합니다.

외부 환경에 안정적이면서 전도성이 뛰어난 그래핀을 이용한 메모리 소자는 향후 무기반도체기술의 뒤를 이을 차세대 메모리 소자입니다.

그래핀 소자는 단위 면적당 초고밀도 집적이 가능하고, 다양한 물질(유기 화합물, 고분자, 금속)을 이용해 응용할 수 있어, 최근 세계 연구자들이 그래핀을 이용한 다양한 메모리 소자를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.

전도성이 뛰어나면서도 용액공정이 가능한 환원산화그래핀의 얇은 막을 활용한 비휘발성 분자 메모리 소자가 개발됐습니다.

성균관대 이효영 교수팀은 용액공정이 가능한 환원산화그래핀 전극막을 활용하여 불과 5나노미터 이하 두께의 단분자막을 기반으로 한 소자로서, 거의 100%의 수득률을 나타내면서도 메모리 소자 이외에 여러 가지 기능성을 갖는 분자막 소자(다이오드, 전도성 분자와이어 등)에도 다양하게 적용할 수 있습니다.

연구팀이 개발한 소자는 환원산화그래핀 층이 상부전극금속 나노입자가 단분자막으로 침투하려는 것을 막아, 금속전극만 사용할 경우 10%미만이었던 소자의 수득률을 월등히 향상시켰습니다.

또한 환원산화그래핀 층이 화학적으로 안정하며 투명하고 전기전도성도 높기 때문에 다양한 기능성 분자 소자(광센서, 바이오센서)를 쉽게 제작할 수 있는 특징이 있습니다.
<환원산화그래핀/단분자막으로 구성된 유기전극, 저항, 혹은 메모리 등 다양한 분자소자에 적용 가능하다.>
 
a) 유기 단분자막 없는 환원그래핀옥사이드의 소자와 그의 전기적인 특성,
b) 메모리 특성을 갖고 있지 않은 유기 단분자막을 이용한 비교 실험, 전기적인 특성이 그림 (a)와 동일하다.
c) 메모리 특성을 갖고 있는 유기 단분자막과 환원그래핀옥사이드 로 이루어진 메모리 소자, 확실한 메모리 특성이 나타나고 있다.
<비휘발성 메모리 효과>
 환원산화그래핀/유기전위금속화합물 단분자막 소자의 on/off 성능이 뛰어나고 안정성이 지속적으로 유지 되는 것을 볼 수 있다.

이번 연구 결과는 화학 분야의 권위 있는 학술지인 독일의 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'지 온라인 속보(11월 16일)에 게재되었습니다. 
(논문명 : Solution-Processed Reduced Graphene Oxide Films as Electronic Contacts for Molecular Monolayer Junctions)

 용  어  설  명

용액공정 :
용액상태로 녹아있는 물질을 이용한 공정

환원산화그래핀(Reduced Graphene Oxide) :
그래파이트(흑연)를 산화시켜 만든 그래핀옥사이드를 환원한 용액으로, 그래핀과 같이 높은 전기전도성과 전하이동도를 갖고, 대량생산과 용액제조가 가능함.
그래파이트를 산화시켜 만든 산화그래핀을 환원하여 그래핀과 같은 전기적 특징을 나타냄. 근본적으로 육각형 구조로 탄소와 탄소 간 공액 결합으로 연결되어 있는 하나의 층으로 이루어졌으며,  높은 전도성 및 전하 이동도를 갖고 있으며 대량 생산 및 용액제조가 가능

비휘발성 분자 메모리 소자 :
분자를 이용한 비휘발성 메모리 소자로서, 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 컴퓨터나 스마트폰 메모리
 
수득률(收得率) :
원료물질로부터 화학적 과정을 거쳐 목적물질을 얻는 경우에 실제 얻은 양의 이론 양에 대한 비율
 <연 구 개 요>

본 연구는 단분자막을 기반으로 하는 분자전자소자 제작에 있어서 제작과정에서 발생하는 분자의 화학적, 전기적 특성 저하 및 수득률 소실을 개선하고자 하는 게 주목적이다.

단분자막 분자 전자 기술은 전자 소자의 소형화 구현이라는 목적 하에 신뢰할만한 분자전자 소자를 만들기 위한 연구가 진행되어 왔다.
그러나 분자의 기능성을 소실하지 않고 소자를 구현하기 위하여 제작과정에서 발생하는 분자 층의 보호가 절실하였다. 소자의 구조를 살피면, 분자층이 두 전극 사이에 위치하도록 하여 기능성 분자(전기화학적 활성인 메모리 소자, 전도성 분자 와이어, 그리고 분자 저항소자)의 전기적 특성이 전극경계면에서 소실되지 않도록 하는 것이 중요하다.
그러나 분자층이 수 나노미터(2-3 나노미터)로 얇아서 전극을 형성하는 과정에서 발생하는 금속 알갱이들에 의한 분자층의 파괴로 인하여 소자의 수득률이 10% 미만으로 매우 낮았다.

그리하여 본 연구에서는 전극과 분자층 사이, 특히 분자층 위에 형성하는 상부 전극과의 경계면에 뛰어난 전도성 층을 형성할 수 있으며, 분자층을 보호할 수 있는 수 나노층의 환원산화그래핀 층을 도입하였다. 그 결과 환원산화그래핀가 10나노미터 수준의 얇고 전도성이 뛰어난 전도성 유기막을 형성할 수 있고 단순 저항체로서의 분자층뿐만 아니라 분자메모리기능성 분자층에 이르기까지 분자의 기능성에 전혀 손실이 없고 거의 100%에 가까운 소자 수득률을 보장할 수 있었다.

환원산화그래핀는 용액형태로 간단한 스핀코팅 방법으로 나노층의 안정한 막을 형성할 수 있으며 금 전극과 탄소화합물인 분자층과의 경계면에서 전기적 소실이 매우 적어서 기존에 소개된 단분자막 분자전자소자에 적용 가능한 전도성 유기층(전도성 폴리머, 탄소나노튜브, 그리고 그래핀) 물질들이 갖는 약점인 저전도성, 제작과정에서의 오염 및 분자층의 소실 우려 등을 배제할 수 있다.
뿐만 아니라 환원산화그래핀를 도입한 분자전자소자는 분자의 기능성에 대한 뛰어난 분별력을 보여줌으로써 상업적으로도 다양한 기능성 분자전자 소재에 광범위하게 적용 가능할 것으로 판단된다.

이효영 교수(가장 오른쪽), 서소현 박사(제1저자, 가운데), 민미숙 박사과정생(제2저자, 가장 왼쪽) 등이 실험결과를 분석하고 있다.

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