나노와이어 한계 넘은 '은파이버' 투명전극 개발…OLED 효율↑
주병권 교수팀, 은 나노와이어 한계 뛰어넘은 유연 OLED 도입 성공

나노소재 분야 국제학술지 SMALL에 논문 게재
 

▲ 공과대학 전기전자공학부 주병권 교수

공과대학 전기전자공학부 주병권 교수와 박영욱 선문대 연구팀이 은 나노와이어보다 100배 이상 긴 은 파이버를 제작하여 발광효율이 획기적으로 향상된 디스플레이용 유연투명전극을 개발했다.

은 나노와이어는 단면의 지름이 나노미터 단위인 작은 선 형태의 은이 네트워크 구조를 이루고 있다. 기존 투명전극(ITO)은 유연하지 못한 반면, 은 나노와이어는 유연하면서도 ITO전극만큼 전도도와 투명도가 우수하여 차세대 휘어지는 디스플레이 및 조명기기를 구현할 유연투명전극 소재로 각광받고 있다.  그러나 은 나노와이어를 OLED(유기발광다이오드) 디스플레이에 활용하기에는 나노선의 길이가 수십 마이크로미터(㎛)로 제한되어 전도도와 투명도 향상에 제약이 있고, 나노선들의 접합으로 인해 표면거칠기가 증가하여 전기적으로 불안정한 한계가 있다.
* 유기발광다이오드(OLED) : 유기화합물을 사용하여 자체 발광하는 디스플레이로, 유연(flexible), 박막(thin film), 가벼움 등 다양한 장점을 가지고 있어 현재 세계 모바일 디스플레이 산업에서 대표적인 기술로 이용되고 있음.
* 표면거칠기 : 물질 표면에 생성되는 요철의 정도로서, 표면조도라고도 함.

연구팀은 전기방사공정을 이용하여 길이가 수 센티미터(㎝)에 달하고 접합이 없는 은 파이버 전극을 개발하여 전도도와 투명도, 전기적인 안정성을 확보해냈다. 전기방사공정은 전기장으로 고분자 용액을 분사하여 파이버 형태로 제조하는 방식이다. 공정이 간편하고 넓은 면적으로 제작이 가능하여 디스플레이 및 조명용 대형 OLED에도 적용될 수 있다.  연구팀은 은 파이버의 두께와 밀도 조절을 통해 전도도와 투명도를 극대화했고, 그 결과 ITO를 이용한 OLED보다 19% 더 높은 에너지 변환 효율을 확인했다.

주병권 교수는 “이 연구는 은 나노와이어의 한계를 극복한 은 파이버 전극을 개발하여 OLED에 도입한 최초의 사례”라며, “웨어러블 디스플레이 및 조명 시장에 핵심 기술 확보에 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구) 등의 지원으로 수행됐으며, 나노소재 분야 국제학술지 스몰(Small) 12월 28일자 논문으로 게재됐다.

 - 논문명 : 유연 OLED용 전기방사된 은 나노 파이버 전극(Junction-Free Electrospun Ag Fiber Electrodes for Flexible Organic Light-Emitting Diodes)
 - 저  자 : 주병권 교수 (교신저자, 고려대학교), 박영욱 교수 (교신저자, 선문대학교), 최준희 (제1저자, 고려대학교), 심용섭 (공동저자, 고려대학교), 박철휘 (공동저자, 고려대학교), 황하 (공동저자, 고려대학교), 곽진호 (공동저자, 삼성디스플레이), 이동준 (공동저자, 고려대학교)

[ 용 어 설 명 ]
1. 스몰(Small) 紙
  ○ 인용지수 8.643의 나노소재 분야 권위있는 국제학술지

2. 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode)
  ○ 유기화합물을 사용해 자체 발광시키는 차세대 디스플레이용 소자. 유기물 박막에 음극과 양극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(Exciton)를 형성하고, 형성된 여기자로부터 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생됨.

3. 표면거칠기
  ○ 물질 표면에 생성되는 요철의 정도로서, 표면조도라고도 함.

4. 투명전극 (TCE; Transparent Conductive Electrode)
  ○ 높은 빛 투과도를 띠며 일정 수치 이상의 전도성을 갖는 물질. 주로 광학 소자에 사용되며, 대표적인 예로는 산화인듐전극(ITO; Indium Tin Oxide)이 있고 유연(flexible) 투명전극으로는 은 나노와이어(Ag nanowire)가 있음.

5. 나노와이어(Nanowire)
  ○ 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체. 대체로 10 nm 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 nm 지름의 나노와이어를 포함해서 일컬음. 길이는 수 ㎛ ~ 수십 ㎛를 가짐.

6. 전기방사 (Electrospinning)
  ○ 전기장을 이용하여 고분자 용액을 수백 나노의 두께를 갖는 파이버로 제작이 가능한 파이버 제조 방법임.

7. 면저항
  ○ 얇은 막의 저항값을 특정짓는 지표로서 사용됨. 흔히 박막의 단위 두께 당 비저항으로 표시함.

[ 그 림 설 명 ]

그림 1. 은 파이버 전극 제조 공정도

은을 유연 기판위에 증착하고 그 위에 고분자 파이버를 형성하여 식각 마스크로 사용한다. 용액 식각 공정 후 고분자 파이버를 제거하면 길고 표면 거칠기가 조절된 은 파이버가 제작된다.

그림 2. 은 파이버 전극의 주사전자현미경 및 카메라 사진

(a-d) 전기방사 시간을 증가시키면서 고분자 파이버의 밀도 변화를 보여주는 사진 (e) 전기방사된 고분자 파이버 사진 (f) 열처리 후 파이버간 서로 결합되어 완전한 식각 마스크를 형성한 사진 (g) 제작된 은 파이버의 전자현미경사진 (h) 유연기판과 은 파이버가 제작된 카메라 사진

전기방사시간에 따라서 고분자 파이버의 밀도를 조절 할 수 있고 이로 인해 전기방사 시간으로 은 파이버 전극의 저항과 투과도를 조절할 수 있음을 알 수 있다. 형성된 은 파이버의 전자 현미경 사진으로 서로 접합이 없이 연속적인 형태의 은 파이버를 확인할 수 있다. 제작된 은 파이버 전극의 카메라 사진을 통해 은 파이버 전극이 매우 투명한 것을 확인할 수 있다.