▲ 기계적 응력하에서 측정된 정렬된 은 나노와이어 기반 플렉서블 PLED와 태양전지의 성능변화 .

차세대 유연 투명전극 재료로 각광받는 은 나노와이어의 단점인 무질서를 극복해 원하는 방향으로 정렬시켜 고성능 투명전극을 만드는 획기적 인쇄기술이 개발돼 향후 상용화에 큰 도움이 될 것으로 보인다.

UNIST(울산과기원, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 고현협․김진영 교수팀은 은나노와이어를 원하는 기판에 원하는 방향으로 정렬시키는 인쇄기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

연구진이 만든 은 나노와이어로 제작한 투명전극은 표면이 매끄럽고 높은 전기전도성과 투명도를 가진다. 이 덕분에 태양전지나 유기발광다이오드(OLED)에 적용할 때 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

은 나노와이어는 단면의 지름이 나노미터(㎚) 단위인 아주 작은 선(線)으로 유연하면서 전도성이 뛰어난 물질이다.

이 특성 때문에 기존 투명전극의 재료로 쓰이는 ‘인듐주석산화물(ITO)’을 대체할 차세대 투명전극 물질로 주목받고 있다. 특히 플렉서블 터치패널이나 디스플레이 시장에서 대면적으로 생산이 가능한 은 나노와이어 투명전극에 대한 관심이 높다.

하지만 기존 은 나노와이어 투명전극은 표면이 거칠고, 나노와이어끼리 접촉 저항이 크며 햇빛에 반사돼 뿌옇게 보이는 ‘헤이즈(Haze)’ 현상도 나타나는 한계점이 있었다. 이 때문에 산업계에서 은 나노와이어를 적극적으로 활용하기 어려웠다.

이번 연구를 주도한 강세원 UNIST 박사과정 연구원은 “유기태양전지나 OLED 같은 광전자소자는 표면이 매끄럽고 투명할수록 높은 효율을 얻는데 지금까지 은나노와이어는 투명전극 제조 과정에서 그물망처럼 무질서하게 결합돼 표면이 울퉁불퉁하고 투명도를 향상시키기 어려워 소자의 적용에 한계점을 보였다”고 설명했다.

연구진은 은 나노와이어 투명전극의 한계를 극복하기 위해 기존 인쇄공정에 나노기술을 접목했다. 실리콘 고무 위에 수백 나노미터(㎚)의 나노패턴을 만들고 이를 인쇄 장치에 부착해 은 나노와이어를 정렬시킨 것이다.

실리콘 고무 패턴 안을 통과한 은 나노와이어는 용액이 증발하면서 발생하는 모세관 힘에 의해 정렬한다. 이렇게 기판 위에 정렬된 은 나노와이어는 서로 불필요하게 엮이지 않으면서 네트워크를 형성한다. 투명전극 표면이 매끄러워지고 투명도도 높아지는 효과를 얻게 되는 것이다.

고현협 교수는 “정렬된 은 나노와이어 네트워크를 이용한 투명전극은 전기가 흐르는 연결 구조를 쉽게 조절할 수 있어 성능 좋은 투명전극을 만들기 유리하다”며 “기존에 비해 균일하고 매끄러운 표면을 가져 고효율 유기태양전지나 및 OLED 소자 제작이 가능하다”라고 말했다.

연구진은 제작된 전극을 플렉서블 유기태양전지에도 적용해봤다. 또 다른 제1저자인 김태효 UNIST 석․박사통합과정 연구원은 “이번 연구에서 개발된 태양전지의 효율은 기존에 보고된 은 나노와이어를 이용해 제작한 태양전지 중에서 가장 높은 효율을 보였다”고 말했다.

김진영 교수는 “정렬된 은 나노와이어를 이용한 고성능 투명전극은 유기태양전지나 OLED 디스플레이와 같은 플렉서블 광전자소자의 성능을 획기적으로 향상시킬 기술”이라며 “대면적 인쇄 기반으로 나노와이어를 정렬하는 기술은 다양한 나노와이어에 적용이 가능해 스마트 센서나 웨어러블 기기에도 충분히 활용할 수 있을 것”이라고 평가했다.

한편,이번 성과는 나노 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 최신호 온라인 속보로 발표됐다. 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업(나노 기반 소프트일렉트로닉스연구단) 그리고 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 지원으로 수행됐다.