접고 구겨도 문제없이 작동하는

완벽한 유연 투명전극 개발

 

- 투명 디스플레이 구현을 위한 산업계 요구조건 모두 충족, 상용화 성큼

 

 

 

(그림 1) A4 크기의 플렉시블 투명전극의 유연성을 보여주는 실험 모습. 휘어진 상태(a)에서도 전구가 켜지며, 같은 투명전극을 종이처럼 구긴 후(b)에도 정상적으로 작동하는 것을 볼 수 있다.

 

 

□ 국내 연구진이 종이처럼 구기거나 1,000회 이상 접어도 성능이 그대로 유지되는 유연한(플렉시블) 투명전극*을 개발했다. 개발된 투명전극은 매우 유연하면서도 광투과도, 면저항 등 상용화를 위한 산업계의 요구조건을 모두 만족시켰으며, 투명전극을 활용한 투명 디스플레이의 상용화를 앞당겼다는 점에서 의미가 매우 크다.

 

 * 투명전극 : 가시광 영역에서 높은 광(光) 투과도를 지녀 투명하며, 각종 디스플레이와 태양전지 등에 사용되는 핵심 부품으로서 면(面)저항이 낮을수록 고성능

 

  ㅇ 광주과학기술원 이광희 교수(교신저자)가 주도하고, 강홍규 박사, 정수현 박사과정생(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(중견연구자, 선도연구센터)의 지원으로 수행되었고, 네이처 커뮤니케이션즈지(Nature Communications) 3월 19일자에 게재되었다. (논문명 : Polymer-metal hybrid transparent electrodes for flexible electronics)

 

□ 유연하면서도 투명한 플렉시블 디스플레이, 웨어러블 전자기기 등의 상용화를 위해서는 완벽에 가까운 기계적 유연성과 함께 광학적․전기적 요구성능 등을 충족하는 유연한 투명전극이 핵심이다.

 

  ㅇ 산업계에서는 투명전극의 상용화를 위해서는 광투과도 85%이상, 면저항 15Ω/sq 이하를 요구하고 있는데, 이를 만족하는 기존의 투명전극(ITO*)은 굽히거나 휘어지면, 소자가 깨지기 쉬운데다 유연한 기판에 적용하면 성능이 낮아져 유연 디스플레이 등에는 사용할 수 없었다. 

 

 * ITO(Indium Tin Oxide) : 인듐 주석 산화물, 높은 투명도, 전기전도성 환경안정성 때문에 투명소자로 활용, 희귀원소인 인듐의 생산량 한계와 가격 상승 등이 제한 요인

 

 

 

 

(그림 2) 연구팀이 개발한 플렉시블 투명전극의 모식도

 

a) 플렉시블 투명전극의 구조: (맨 아래층부터) 기판, 아민기-함유 화합물(PEI), 금속박막(Ag), 고분자 반사방지층(PEDOT:PSS)으로 이루어짐
(b) 금속 박막의 성장 모식도: 아민기-함유 화합물의 도입으로 증착되는 금속의 핵(회색점)이 기판위에 고르게 분포됨

c) 반사 방지층의 역할 모식도: 고분자 반사 방지층의 도입으로 투명전극의 투과도가 향상됨

d) 제작된 투명전극의 사진

e) 제작된 투명전극의 측면 및 표면 사진: 아민기-화합물을 처리한 기판위에 형성된 금속 박막의 단면(상/좌)과 표면(상/우) 사진이고, 아래 두 그림은 아민기-화합물 없이 기판위에 형성된 금속 박막의 단면(하/좌)와 표면(하/우) 사진임, 아민기-화합물 처리를 한 기판위에 금속 박막을 형성 할 경우 매우 고르게 얇은 두께(약 10*10-9m)의 박막이 잘 형성된 것을 알 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 금속들이 연결되어 있지 않고, 섬 모양으로 금속들이 뭉쳐져 있는 것을 볼 수 있음. 이렇게 금속 박막이 섬 모양으로 형성된 경우에는 전기적, 광학적 특성이 좋지 않음.

 

 

□ 연구팀은 용액공정을 이용해 화합물(아민기-함유 화합물*)로 필름을 형성한 유연한 기판 위에 ITO 대신 아주 얇은 금속박막을 만든 후 간단한 반사방지 코팅을 하는 방식을 고안, 상용화 조건을 모두 만족시키는 유연한 투명전극을 개발하였다. 

 

  * 아민기-함유 화합물 : 분자구조 내에 아민기(Amine, -NH2)를 포함하는 화합물

 

  ㅇ 보통의 금속박막은 금속핵(核)이 기판 표면에 고르게 만들어지지 않기 때문에 광투과도가 약40%로 낮고 면저항도 크지만, 연구팀은 유연한 기판에 아민기-함유 화합물을 도핑하는 방식을 도입하여 기판과 금속박막의 젖음성*을 크게 개선하였다.

 

  * 젖음성(wetting) : 서로 다른 두 가지 이상의 물질이 서로 접했을 때 두 물질 사이의 친화도를 의미, 젖음성이 높을수록 물질이 닿는 경계면이 증가하여 친화도가 높아짐

 

  ㅇ 그 결과, 10Ω/sq 이하로 면저항을 낮추었으며, 금속박막 위에 반사방지 코팅을 함으로써, 95%이상의 광투과도를 얻었다. 또한, 1,000회 이상 반복해서 굽히거나, 종이처럼 구겨져도 전혀 성능이 저하되지 않았으며, 이는 상용화 요구조건을 모두 만족하는 결과이다.

 

 

 

 (왼쪽부터) 정수현 박사과정생, 이광희 교수, 강홍규 박사

 

 

□ 이광희 교수는 “산업계의 요구조건을 모두 만족시키면서 저렴하고 간단한 공정으로 제작하기 때문에 투명전극의 대면적화, 대량생산이 가능하다”며, “종이처럼 접고 구겨도 전혀 성능이 저하되지 않아 웨어러블 유연 디스플레이 등의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.      <끝>

 

(관련기사 보기 http://me2.do/587mOBlJ)

 

홍보기금팀