90% 이상의 광 투과율과 전기 전도도 등이 탁월
ITO의 대체재…
은 나노입자·그래핀 투명전극
기존에 사용하던 ITO에 파장에 따른 투과율의 변화, 유연성의 한계, 인듐의 고갈 문제로 인한 가격 상승 때문에 대체할 수 있는 전류 확산 층을 찾고 있다. 이에 대한 대체재로 그래핀이 각광받고 있는데, 무기물 층과의 접착력이 약한 문제가 있다.
따라서 이에 대해 한국산업기술협회가 주최한 ‘차세대 투명전극 기술동향/사업화 전략 및 발전방향 세미나’에서
광주 과학 기술원의 이동선 교수가 새로 개발한 은 나노입자·그래핀 투명전극에 대한 내용을 정리했다.
현재 질화인듐갈륨(GaN) 기반 발광다이오드의 전류 확산층(투명전극 층)으로는 인듐 주석 산화물(ITO, Indi-um Tin Oxide) 박막이 가장 보편적으로 사용되고 있다. 그러나 ITO의 파장에 따른 투과율의 변화, 유연성의 한계, 원재료인 인듐의 고갈로 인한 가격 상승 문제 때문에 대체할 수 있는 전류 확산 층을 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이에 대한 대체재로써 그래핀이 각광받고 있는데, 그래핀은 가시광 및 자외선을 포함하는 넓은 파장 영역에서 90% 이상의 높은 광 투과율을 보이며, 전기 전도도와 유연성이 우수하다는 장점을 가지기 때문에 GaN 기반 발광 다이오드에서 ITO를 대체할 투명전극 층으로 적용하려 노력하고 있다.
하지만 그래핀은 무기물 층과는 접착력이 약하기 때문에 GaN 기반 소자 공정 과정에서 그래핀이 손실되는 문제가 있으며, 소자 제작 후에도 전류 확산이 불균일하거나 높은 질화인듐갈륨과의 접촉 저항, 고전류에서 타는 문제 등으로 인해 발광다이오드의 전류 분산 층으로서 안정적으로 사용하기에 한계를 보여 왔다.
이에 광주과학기술원 이동선 교수팀은 그래핀 표면에 얇은 금속층(Ag 10㎚)을 증착한 후 열처리 과정을 통해 나노 입자(Ag nanoparticle)를 형성해 그래핀의 전도도를 향상시켜 효율적인 전류 분산과 안정적인 소자 제작을 가능케 했다.
또한 광 추출 효율을 극대화하기 위해 마이크로 패터닝한 국소 영역에 은 나노 입자를 형성해 높은 광 투과율 및 향상된 전기전도도 특성을 지닌 은 나노입자·그래핀 투명전극을 개발했다(그림 1). 
특히 기존에 사용하던 그래핀 단일 전극이 적용된 GaN 기반의 발광다이오드는 고전류에서 그래핀이 타는 현상 때문에 소자마다 성능 편차가 심했었다.
반면, 이번에 개발된 전극을 적용해 1×1㎜로 제작된 소자에 350mA의 높은 전류를 가한 경우에도 은 나노입자·그래핀 투명전극은 열화되는 특성을 보이지 않고 효율적인 전류 분산을 보였고 그림 2과 같이 발광 다이오드의 최상부 층이 전면 발광하는 효과를 얻을 수 있었다.
이를 통해 그래핀이 적용된 LED의 대량 생산 가능성을 볼 수 있었고 그래핀을 무기물 기반으로 제작한 태양전지와 다양한 광전 소자에도 안정적으로 적용해 그래핀 전극의 상용화를 앞당길 수 있는 기회를 제공했다는 평을 받았다.
또한 이동선 교수팀은 금·은 등의 금속 나노 입자가 결합된 그래핀 투명전극 외에도 얇은 금속 박막, 금속 산화물이 결합된 그래핀 투명전극 적용에 대한 연구도 진행 중이다.
GaN 기반 LED에 그래핀을 투명전극에 적용하는 데에는 앞서 언급한 그래핀 안정성 문제 외에도 그래핀과 p-GaN 계면 사이의 오믹(Ohmic) 형성이 어렵다는 문제도 있다.
그래핀과 p-GaN 계면의 불완전한 오믹 형성은 LED 구동 시 높은 동작 전압과 저항의 증가 현상을 초래해 높은 전력을 요구하며, 이는 비효율적인 전류 분산 및 p형 전극 주위에서만 빛이 생기는 등의 문제를 발생시키기 때문에 LED 동작에 치명적인 악영향을 끼친다.
이러한 문제는 p-AlGaN 층을 갖는 자외선 영역 발광 다이오드(UV-LED) 구조에서 더욱 극명하게 나타난다.
따라서 이동선 교수팀은 이를 해결하기 위해 얇은 니켈(Ni) 박막을 결합해 그래핀의 전도도를 높이고, 열처리 과정을 통해 표면에서의 저항 문제를 개선하는 연구도 진행했다.
그 결과 그림 3와 같이 니켈(Ni)과 그래핀이 결합된 박막을 Blue LED, UV LED에 각각 적용함으로써, Blue LED와 UV LED에서 I-V 특성을 개선하는 효과를 보였다. 
특히 높은 저항의 UV LED의 경우에는 Blue LED에 비해 저항 개선 효과가 크게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 광출력 부분에서도 Ni·그래핀 결합 박막이 UV LED가 ITO 전극을 사용한 경우와 비슷한 수준으로 나타나면서 ITO 대체 전극으로서의 사용 가능성과 높은 저항을 갖는 p-AlGaN을 기반으로 한 전자 소자로의 적용 가능성을 증명했다.
이동선 교수팀은 학문적인 연구에서 그치지 않고, 앞선 연구 결과들을 실용화할 수 있도록 그래핀이 적용된 LED의 패키징 단계까지 진행한 시제품 제작도 함께 진행하고 있다.
최근에는 Deep UV 영역의 LED에 그래핀 투명전극을 적용하는 연구와 금속 mesh 구조와 그래핀이 결합된 박막 적용 연구, 패터닝된 그래핀의 특성 분석 연구 및 이를 태양전지에 적용하는 방법에 대한 연구 등을 진행 중에 있다.
임재덕 기자(smted@hellot.net)
