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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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3차원 나노금형을 고가의 노광장비를 사용하지 않고 값 싸게 대량 생산할 수 있는 원천기술이 개발됐습니다.

3차원 나노금형 제작기술은 차세대 메모리, 나노센서 등을 값 싸게 제작할 수 있는 나노임프린트 공정의 핵심기술입니다.

한국기계연구원 정준호 박사팀은 KAIST 김상욱 교수팀과 공동으로 3차원 나노금형 제작기술 개발에 성공했습니다.

연구팀은 금속 산화물 소재의 3차원 집적 나노임프린트 공정과 블록 공중합체 자기 조립공정을 융합해 30㎚급 3차원 나노금형을 제작했습니다.

이번에 개발된 기술은 공정이 단순할 뿐만 아니라 대면적 3차원 곡면 상에 수십 나노미터 크기의 구조물을 제작할 수 있습니다.

 

(A) 금속산화물 직접 나노임프린트와 블록공중합체 자기조립의 융합을 통한 나노금형 제작공정도
(B) 금속산화물 직접 나노임프린트공정에 의해 제작된 800 nm 주기의 금속산화물 패턴
(C) 금속산화물 패턴 안에 블록공중합체 자기조립공정에 의해 형성된 30 nm급 패턴

 

(A) 금속산화물 직접 나노임프린트를 사용한 3차원 곡면 구조 제작 공정도
(B) 3차원 곡면 구조 단면 전자현미경 사진
C) 3차원 곡면 구조 원자현미경 사진

3차원 금속산화물 곡면 상에 형성된 30 nm급 패턴, 블록공중합체 코팅두께에 따른 패턴 형상 변화
(A: 20 nm 두께, B: 40 nm 두께, C: 50 nm 두께, 각각의 단면사진(D-F))

연구팀은 이를 바탕으로 금속 나노와이어 기반의 투명전극을 개발할 예정입니다.

이번 연구결과는 나노분야 저명 국제 학술지 'small'(IF: 7.33)  5월 21일 자 내부 표지논문으로 선정되었습니다.

2012년 5월 21일자 'small'지의 내부표지 사진


<금속산화물소재 직접 나노임프린트공정>

기존의 나노패턴형성 공정에서 필수적인 고비용의 식각공정 없이 한 번에 금속산화물 소재의 나노패턴을 제작할 수 있는 공정이다.
금속산화물을 함유한 유무기 소재가 코팅된 기판에 나노금형을 가압한 후 자외선을 조사하여 경화 시키고 나노금형을 분리한다. 최종적으로 300oC 열 처리를 통해 유기물을 제거하게 된다.

<블록공중합체 자기조립>

블록공중합체는 서로 다른 화학적 구조를 가지는 고분자 블록들이 공유결합을 통하여 연결되어 있는 분자구조를 가지고 있다.
한 물질 내에 존재하는 고분자 블록들은 상분리를 일으키려고 하나 서로 공유결합으로 연결되어 있기 때문에 상분리가 제한되어 결국 구 (sphere), 실린더 (cylinder) 등의 형태로  5~50㎚의 주기를 갖는 나노 패턴을 형성한다.
일반적인 블록공중합체 자기조립으로 형성되는 나노패턴은 무질서한 배향 방향을 가질 뿐 아니라 많은 결함을 내포하고 있다.
따라서 실질적인 응용을 위해서는 나노패턴의 배향과 배열을 원하는 형태로 조절할 수 있는 기술이 필요하다.

<금속산화물 직접 나노임프린트 공정과 자기조립공정의 융합기술>

직접 나노임프린트 공정을 이용하여 넓은 면적에 큰 주기의 금속 산화물 패턴을 제작하고 금속 산화물 패턴 내부에 정렬된 블록 공중합체 나노구조를 형성시키는 기술이다.
식각공정을 사용하지 않는 직접 나노임프린트 공정으로 제작한 금속산화물 패턴은 표면 조도가 매우 우수하며 고온에서도 안정한 격벽구조를 유지할 수 있어 결함이 없는 블록공중합체 나노구조를 형성시킬 수 있다.

 

 용  어  설  명 

나노금형:
나노임프린트 공정의 필수부품으로 나노크기의 패턴이 새겨진 금형

나노임프린트 공정:
나노금형을 사용하여 도장을 찍듯 기판 상에 나노패턴을 전사하는 공정으로, 전량 수입에 의존하는 수백억대 노광장비로도 구현이 어려운 10 ㎚이하의 패턴 형성도 가능한 공정

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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2004년 자연광물인 흑연에서 떼어낸 ㎛(100만분의 1미터) 크기의 그래핀 조각이 매우 우수한 물리적 전기적 특성을 지닌다는 사실이 발견되어 실리콘을 대체할 차세대 나노물질로 떠올랐으나, 이 방법으로 얻은 그래핀 조각은 크기가 너무 작고 모양이 불규칙하여 실생활에 직접 응용할 수 없었습니다. 
 
이런 가운데 2009년 화학기상증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition)이라는 새로운 기법으로 금속기판 위에 ㎝ 크기의 그래핀을 합성할 수 있다는 사실이 실험적으로 증명되었고, 지난 2010년에는 넓은 면적(30인치)의 그래핀을 합성하여 투명전극으로 응용할 수 있음이 확인됐습니다.

그러나 CVD로 그래핀을 합성하려면, 먼저 1000℃에서 금속기판 위에 그래핀을 합성한 후 원하는 기판으로 전사하는 복잡한 공정이 필요했습니다.

이에 일부 연구팀에서는 롤투롤 공정으로 그래핀 전사의 문제점을 해결하고자 하였으나, 추가공정이 필요해 대량생산에 어려움이 따랐습니다.

상온에 가까운 저온에서 원하는 기판에 그래핀을 직접 합성하는 신기술이 개발됐습니다.


□ 울산과기대 권순용 교수팀은 지금까지 1000℃ 고온에서 금속기판에 그래핀을 합성한 후 그래핀을 떼어내 원하는 기판에 전사(轉寫)하는 한계를 극복해, 상온에 가까운 저온(200℃)에서 원하는 기판에 그래핀을 직접 합성하는 기술 개발에 성공했습니다.

권 교수팀은 상온에 가까운 저온에서 탄소원자가 스스로 금속표면 위에서 확산하고 벌집 모양의 원자간 결합하는 현상을 이용하여 그래핀을 대상기판 위에 형성하는 새로운 기술(DAS : Diffusion-Assisted Synthesis)을 개발했습니다.

이 방법을 이용하면 단단한 산화 실리콘 기판이나 유리, 플라스틱 등 어떠한 기판에서도 그래핀을 직접 만들 수 있는 장점이 있습니다.
 
연구팀이 개발한 DAS기술을 이용하면 그래핀의 결정립 크기도 자유자재로 조절할 수 있습니다.
    
'꿈의 신소재'로 불리는 그래핀의 탁월한 물리적 전기적 특성들은 흑연에서 떼어낸 그래핀 조각처럼 결정립계가 거의 없는 단결정 탄소층에서 얻을 수 있는 것으로서, 인공적으로 합성된(CVD 등) 대면적 그래핀은 내부에 결정립계가 많아 물리적 전기적 특성이 현저히 떨어져 현재 활용하는데 한계가 있었습니다.
 
그러나 연구팀이 개발한 DAS기술은 그래핀의 물리적 전기적 특성을 조절하기 위한 그래핀의 결정립 크기 제어가 가능하다는 사실을 처음으로 보여준 의미 있는 결과로서, 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함 원인인 결정립계를 줄일 수 있는 가능성을 제시한 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

160 oC 에서 SiO2/Si 기판상에 직접 합성한 그래핀의 SEM 이미지

DAS법을 이용한 그래핀 형성 메커니즘 모식도. 다결정 금속박막의 결정립계를 따라 탄소원자가 자발확산하여 대상기판에 그래핀을 형성하고 있다.



이번 연구는 권순용 교수가 주도하고 곽진성 박사과정생(제1저자), 김성엽 교수, 박기복 교수(이상 울산과기대)와 서울대 김영운 교수, 윤의준 교수, 수닐 코담바카 교수(미 UCLA) 등이 참여했습니다.

연구결과는 세계 최고 권위의 과학전문지 '네이처'의 자매지인 'Nature Communications'지에 1월 24일자로 게재되었습니다. 
(논문명: Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films)

권순용, 김성엽, 박기복 (아래줄 왼편 두 번째부터 차례로) 교수와 곽진성 (윗줄 왼편 두 번째) 연구원을 포함한 UNIST 연구팀

 

 용  어  설  명

그래핀 : 
그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등의 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.

결정립(結晶粒) :
하나의 결정체. 금속 재료에 있어서, 현미경적인 크기의 불규칙한 형상의 집합으로 되어 있는 결정 입자

결정립계(結晶粒界) :
결정립과 결정립과의 경계

단결정(單結晶) :
전체를 통하여 고르고 규칙적으로 연결된 단 하나의 결정 

다결정(多結晶) :
다수의 미세한 결정립이 여러 가지 방위를 지니고 집합하여 된 결정. 천연적인 결정질 물체의 대부분이 이에 속함

<연 구 개 요>

Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films
J. Kwak et al. (Nature Communications - 2012. 1.24. 출판)

그래핀은 탄소원자가 육각형 형태의 벌집 모양으로 연결된 한 층으로 구성된 인공 나노 물질로서 강철보다 200배 이상 강하고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 등 우수한 물리적, 전기적 특성을 가져 디스플레이와 차세대 반도체 소재로 주목받는 꿈의 신소재이다.
최초의 그래핀은 기계적 박리법을 통해 얻어낸 마이크로미터 수준의 그래핀 조각들로서 상기 언급한 바와 유사한 우수한 물성을 지니나, 매번 불균일한 모양과 특성을 갖고 크기가 매우 작아 실생활에의 응용이 불가하다.
이를 해결하기 위해 화학기상증착법을 이용한 대면적 그래핀 합성법이 개발되었다. 하지만 탄소원인 탄화가스의 효율적인 분해를 위해서는 1,000 이상의 고온 공정이 필요하고, 금속기판 위에 그래핀을 성장한 후 소자에의 적용을 위하여 반도체 및 부도체 기판으로의 그래핀의 전사 공정이 필요하게 된다.
이러한 전사 공정시 그래핀의 구겨짐, 찢어짐 등의 결함이 발생하는 등의 어려움은 물론 양산시 대면적화에 있어 극복해야할 난제가 산적해 있는 상태이다.  
  
본 연구팀은 이러한 단점을 극복하기 위하여 DAS(Diffusion-Assisted Synthesis)법을 개발하였다.
DAS법에서는 반도체 및 부도체 기판에 미리 형성한 다결정 금속박막의 결정립계를 통한 탄소원자의 농도구배 차이에 의한 자발확산 현상을 이용한다.
'탄소재료-금속박막/기판'으로 이루어진 확산 쌍을 특수재질로 제작된 지그에 고정시키고 ~1 MPa 정도의 압력을 가하여 전기로에서 다양한 분위기하에서 가열함으로써, 금속박막의 결정립계를 통해 자발확산된 탄소원자는 금속박막/대상기판 계면에서 탄소원자의 확산현상에 의해 그래핀을 형성하게 된다.
본 연구팀의 전산모사 결과에 의하면 상온에서도 그래핀 위의 탄소원자들이 대략 200 /sec 이상 확산 과정을 겪게 되어 상온에 가까운 저온에서도 안정상인 그래핀을 형성할 수 있음을 확인할 수 있었다.
대상기판으로는 단단한 산화 실리콘 기판 (SiO2/Si) 및 유리뿐 아니라 가요성을 갖는 플라스틱 기판 (PMMA, PDMS) 등이 사용되었고 이들 대상기판에서 기판 종류에 따른 그래핀 성장 메커니즘에 관한 연구를 통해, 200 이하의 저온에서 성장온도, 성장시간, 중간 금속박막층의 형성조건 등에 따른 센티미터 수준의 그래핀을 얻을 수 있었다. 
이와 더불어 DAS 기술을 이용하면 대상기판에 형성한 금속박막의 결정립계 크기를 미리 조절함으로써 추후 형성되는 그래핀의 결정립 크기를 조절할 수 있음을 확인하였다.
인공 합성된 대면적 그래핀의 경우 내부에 존재하는 다수의 결정립계로 인해 물리적, 전기적 특성이 이론치에 비해 현저히 떨어지게 되어 현시점에서 이의 활용분야가 제한되나, DAS법을 활용하게 되면 추후 그래핀 내부에 존재하는 주요 결함원인 결정립계를 줄일 수 있게 되어 차세대 그래핀 산업의 핵심기술이 될 것으로 기대된다.

<권순용 교수>

1. 인적사항                          
 ○ 성 명 : 권순용(35세)                             
 ○ 소 속 : UNIST 기계신소재공학부
 
2. 학력사항
  1995.3 - 1999.2  서울대학교 재료공학부 학사   
  1999.3 - 2001.2 서울대학교 재료공학부 석사  
  2001.3 - 2005.8 서울대학교 재료공학부 박사 
    
3. 경력사항 
  2005.12 - 2007.5   예일대학교 전자공학과 박사후연구원
  2007.6 - 2008.9    UCLA 재료공학과 박사후연구원
  2008.11 - 현재     UNIST 기계신소재공학부 조교수

4. 주요성과 
1. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, S.-D. Park, H. Go, S.Y. Kim, K. Park, S.-D. Kim, Y.-W. Kim, E. Yoon, S. Kodambaka, S.-Y. Kwon*, "Near room-temperature synthesis of transfer-free graphene films", Nature Communications, 3, 645 (2012).
2. S.-Y. Kwon, C. V. Ciobanu, V. Petrova, V. B. Shenoy, J. Bareno, V. Gambin, I. Petrov, S. Kodambaka*, "Growth of semiconducting graphene on palladium", Nano Letters 9(12) 3985-3990 (2009)
3. S.-Y. Kwon*, S.Y. Kim, K. Park. J. Kwak, J.H. Chu, J.-K. Choi, "Graphene sheet, transparent electrode, active layer including the same, display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode or active layer", PCT/KR2011/005438
4. S.-Y. Kwon*, K. Park, E. Yoon, J. Kwak,"Method for manufacturing graphene, transparent electrode and active layer comprising the same, and display, electronic device, optoelectronic device, battery, solar cell and dye-sensitized solar cell including the electrode and the active layer", PCT/KR2011/001092

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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형성된 나노구조체: 식각 공정을 이용해 구조체의 밀도 조절이 가능하다. 나노구조체 밀도는 1 cm2 당 각각 1200억 개(오른쪽), 720억 개(왼쪽)

나노구조체의 크기는 머리카락 지름의 1000분의 1정인 1㎛(마이크로미터) 이하입니다.


때문에 동일한 부피에 나노구조체를 형성하면 표면적이 획기적으로 증가하는 현상이 나타납니다.

투명전도층이 증착된 나노구조체: 투명전도층은 빛의 투과도와 전기적 전도성이 우수하다. 이러한 투명전도물질과 나노구조체간의 접합을 통해 새로운 광전소자를 개발했다. 빛 굴절계수가 작은 투명 전도물질은 빛의 반사도를 낮추는 효과도 지닌다.

광전소자는 에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로, 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 근간이 되고 있습니다.


그러나 현재까지 개발된 광전소자는 크기가 작은 나노구조체에 일일이 전류를 통하게 해야 하는 등 미세하고 까다로운 공정이 필요해 상용화에 어려움이 있었습니다.

그런데 이 같은 돌기 형상의 나노구조체를 활용해 태양전지의 효율을 높일 수 있는 차세대 광전소자가 개발됐습니다.

한국기계연구원 나노역학연구실 김준동 박사팀은 돌기 형상의 대면적 나노구조체에 고성능 투명전극을 입혀 입사광 이용면적을 기존 평판 형태보다 10만 배 이상 획기적으로 늘린 광전소자를 개발했습니다.

나노구조체를 이용한 광전소자 모식도


연구팀이 새로 개발된 광전소자는 전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입혀 제작비용을 20~30% 절감해 대면적 나노구조체 공정에 활용할 수 있게 됐습니다.

이로 인해 향후 태양전지나 LED, 디스플레이, 조명기기 등의 제작에 새 장이 열릴 것으로 기대되고 있습니다.

나노구조체의 표면적 증가 효과. 나노구조체의 밀도가 증가하면 전류값이 비례해 증가한다. 나노구조체 소자는 일반기판 소자보다 전류를 32배까지 늘인다.

이번 연구는 최준혁 박사팀과 한양대 이정호 교수팀의 협력을 통해 진행됐습니다.

이 기술은 현재 국내특허가 출원됐고, 이번 연구의 결과는 최근 미국의 유명 저널 ‘Applied Physics Letters’에 발표됐다.


연구팀은 이번 기술을 활용해 태양전지의 효율성 향상 연구도 진행한다고 합니다.

 

전극을 지니는 고성능 물질을 플라즈마 증착 기술을 이용해 나노구조체의 돌기에 입히는 실험을 진행하고 있는 한국기계연구원 김준동 박사.

posted by 글쓴이 과학이야기

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