한국전기연구원 이건웅 박사 팀_전기적 안정성 높은 유연 투명전극 기술 개발


차세대 투명전극재료로 각광받고 있는 탄소나노튜브(CNT)와 은나노와이어를 분산제 없이 수용액에 분산시켜 한 번의 코팅으로 전기적 안정성이 매우 뛰어난 유연 투명전극을 제조할 수 있는 획기적 기술이 개발됐다. 이로써 나노 소재 기술의 상용화가 촉진될 것으로 기대된다.

김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)


Q. 연구 배경은?
A. ‌그동안 현재 사용되고 있는 산화물 기반 ITO 투명전극을 대체하고자 하는 노력에서 탄소나노튜브, 그래핀, 금속나노와이어 등의 소재가 연구되어 왔으며, 최근에는 전도도가 우수한 은나노와이어가 대체재로 상업화 시도되고 있습니다. 그러나 은나노와이어 사이의 계면에서의 저항으로 인한 전기적 안정성 저하로 신뢰성에 대한 문제가 제기되고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 한국전기연구원의 독자 기술인 무분산제형 탄소나노튜브의 고분산기술과 은나노와이어 기술을 접목시켜 면저항이 낮고 전기적으로 매우 안정한 유연 투명전극 기술을 개발하게 됐습니다.

Q. 연구 내용은? 
A. ‌본 연구는 초분자 구조를 지니는 관능기를 탄소나노튜브에 도입하여 분산제의 사용 없이 탄소나노튜브와 금속나노와이어를 혼합한 일액형 코팅액을 제조하고 이를 유연기판에 박막으로 도포하여 별도의 추가 공정 없이 금속나노와이어를 탄소나노튜브와 복합화함으로써 낮은 면저항을 구현했습니다. 특히 금속나노와이어 단독으로 사용할 경우 발생하는 나노와이어 접점에서의 전기적 안정성을 획기적으로 해결했습니다.

Q. 기대되는 효과와 성과의 의미가 있다면요?  
A. ‌ITO 대체 금속나노와이어 기반 차세대 유연 투명전극 기술의 실용화를 위한 단점을 해결했다는 데 의미가 큽니다. 향후 각종 신축성 및 웨어러블 기기용 유연전극으로 활용이 가능하며 기술이전을 통한 나노 소재 기술의 상용화가 촉진될 것으로 기대합니다. 기존에도 분산제를 사용하여 나노 소재를 혼합한 형태로 코팅액을 제조했으나, 본 연구에서는 분산제를 사용하지 않고 탄소나노튜브와 은나노와이어를 혼합하여 별도의 처리 없이 복합화된 투명전극을 제조했으며, 특히, 이를 통해 은나노와이어 단독의 경우 발생할 수 있는 전기전도도의 불안정성을 해소할 수 있습니다.

Q. 어디에 쓸 수 있고 실용화까지 어느 정도 시간이 걸릴까요?
A. 터치패널, 디스플레이, 에너지 소자뿐만 아니라, 각종 웨어러블 기기의 유연전극으로 활용할 수 있습니다. 국내 탄소나노튜브 기반기술이 충분히 성숙되어 있어 기술 이전 시 2년 이내에 실용화가 가능합니다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표가 있다면요?
A. 기술 이전을 통한 상용화를 통해 유연 터치패널, 디스플레이 등의 제품에 적용시키는 세계 최초 기술로 발전시키고자 합니다.


전기적 안정성 뛰어난 저저항 유연 투명전극 기술
ITO 대체용 유연 금속나노와이어 투명전극의 단점 해결

한국전기연구원(KERI, www.keri.re.kr)의 이건웅·한중탁 박사팀이 개발한 기술은 인듐주석산화물(ITO) 대체 투명전극 소재인 은나노와이어와 탄소나노튜브를 분산제 없이 하나의 용액(일액형)으로 제조하고 이를 단 한 번에 코팅함으로써 은나노와이어의 단점인 전기적 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
은나노와이어에 전압을 걸어 전류가 흐를 때 접점에서 핫스팟이 형성되어 끊어지는 단점을 탄소나노튜브와의 복합화를 통해 해결했다. 이를 통해 금속나노와이어를 각종 터치패널, 디스플레이, 에너지 소자 등의 안정적 유연 투명전극으로 사용될 수 있는 길을 열었다. 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 온라인판 최근호에 게재됐다.



은나노와이어는 전기전도성이 매우 우수하고 지름이 작아 네트워크 구조의 투명전극으로서 ITO 전극을 대체할 재료 중의 하나로 주목받고 있다. 그러나 은나노와이어 사이의 계면에서의 저항으로 인한 전기적 안정성 저하로 신뢰성에 대한 문제가 제기되고 있다.
KERI 연구팀이 그 대안으로서 개발한 방법은 분산제의 사용 없이 은나노와이어와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합한 일액형 코팅액을 플라스틱 기판에 도포하여 은나노와이어를 탄소나노튜브와 연결시켜 주는 방법이다. 이를 통해 면저항 감소뿐만 아니라 은나노와이어 네트워크의 전기적인 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 연구팀은 탄소나노튜브를 은나노와이어 수용액에 분산하기 위해 탄소나노튜브의 손상을 최소화하고 4개의 수소 결합이 동시에 이루어질 수 있는 기능기를 도입했다. 탄소나노소재간 ‘반데르발스힘’(분자 내 강한 인력)을 극복하게 함으로써 고농도의 전도성 페이스트 제조하고, 이를 은나노와이어 분산액에 첨가하여 손쉽게 일액형 코팅액을 제조할 수 있게 됐다.



이 방법은 분산제를 사용하지 않고 일액형 코팅액을 제조하였기에 은나와이어와 탄소나노튜브가 균일하게 얽혀 있는 복합 구조를 손쉽게 형성시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. KERI 연구팀의 무분산제형 탄소나노튜브 분산기술을 접목한 탄소나노튜브와 금속나노소재의 복합화 기술은 안정성 있는 투명전극 제조의 공정단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대된다.