전기전도도 향상시킨 인쇄형 플라스틱 투명전극 개발

- 황산 이용 고효율 전도성 플라스틱 박막 제작…Advanced Materials 표지논문

▲ (사진제공=지스트)  왼쪽으로 부터 이광희 교수, 이성호 박사, 김나라, 기세영 박사과정 연구원

(광주=기술사신문) 유옥 기자 = 국내 연구진이 기존 투명전극(1)의 한계를 극복할 최고 전기전도도를 갖는 인쇄형 플라스틱 투명전극을 개발했다. 저렴한 황산을 이용한 간단한 용액공정으로 투명전극에 쓰일 전도성 플라스틱 박막을 만들 경우 향후 휘어지는 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 

지스트(GIST·광주과학기술원) 신소재공학부 이광희 교수와 차세대에너지연구소 이성호 박사(공동 교신저자)가 주도하고, 신소재공학부 김나라, 기세영 박사과정 연구원(공동 제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)지 4월 9일자 표지논문(2) (Front Cover Article)으로 게재되었다. 

전기전도도와 가시광선 투과도가 높은 전도성 플라스틱은 고가의 희귀금속인 인듐을 사용하고 깨어지기 쉬운 ITO(3)를 대체할 투명전극 소재로 주목받고 있다.

다만 ITO에 버금가는 전기전도도를 얻기 위해 진공에서 기화시키는 추가적인 증착공정이 필요해 상용화에 한계가 있었다.

▲ (자료제공=지스트)

연구팀은 대표적인 전도성 플라스틱(4) 물질에 황산을 처리하면 전기전도도를 ITO에 버금가게 향상시킬 수 있음을 알아냈다. 

전도성 플라스틱은 가볍고 유연해 가공하기 쉽고 인쇄하듯 만들 수 있어 투명전극 소재로서 ITO를 대신하여 휘어지는 디스플레이, 터치스크린, 유기 태양전지 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

▲ (자료제공=지스트)

황산이 전도성 플라스틱을 알갱이 형태에서 나노섬유 형태로 바꿔주면서 결정도를 높여 전기전도도가 향상된다는 것이다. 전기전도도를 높이기 위한 번거로운 증착공정을 생략할 수 있게 된다.

실제 이렇게 만들어진 플라스틱 박막을 투명전극으로 사용해 유기 태양전지를 제작한 결과 ITO 전극을 이용한 경우 대비 95%의 광전변환 효율(5)을 나타냈다.

▲ (자료제공=지스트)

이 교수는 “이번 연구결과는 용액 공정을 통해서도 전도성 플라스틱에서 우수한 전기적 특성이 나타나고 있음을 입증한 것으로 깨어지기 쉬운 ITO를 대체해 향후 투명하고 휘어지는 인쇄형 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.    
 
註 (1) 투명전극 : 가시광 영역에서 높은 광투과도(85% 이상)와 높은 전기전도도(1000 S/cm 이상)를 동시에 지닌 전극으로 각종 디스플레이 소자나 태양전지 등의 핵심부품
(2) 논문명 : Highly Conductive PEDOT:PSS Nanofibrils Induced by  Solution-Processed Crystallization
(3) ITO(인듐주석산화물) : 산화주석(tin oxide)에 인듐(Indium)을 첨가해 만든 전도도와 투과도가 높은 물질로 각종 디스플레이나 태양전지 등의 투명전극 소재로 널리 쓰임. 
(4) 피닷:피에스에스(PEDOT : PSS) : 전도도가 높은 대표적인 전도성 플라스틱으로 가시광 영역에서 투과도가 좋아 투명전극의 소재로의 응용연구가 활발하다. 
(5) 광전변환효율 : 태양전지에 입사되는 태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 효율