★ 2018년 1월 8일(월) 조간(온라인 1월 7일(일) 12:00)부터 보도하여 주시기 바랍니다.

보도자료
	<홍보실> 실장 김한기, 연구원 장효정 ☎ 042-869-6116
<자료문의> 고려대학교 주병권 교수(02-3290-3237), 최준희 연구원(02-3290-3665)
은 파이버 유연투명전극 개발 - 은 나노와이어 한계를 뛰어넘어 유연 OLED 도입 성공 -

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 주병권 교수(고려대학교)‧박영욱 교수(선문대학교) 연구팀이 은 나노와이어보다 100배 이상 긴 은 파이버를 제작하여 발광효율이 획기적으로 향상된 디스플레이용 유연투명전극을 개발하였다고 밝혔다.

□ 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.

□ 하지만 은 나노와이어를 OLED(유기발광다이오드)* 디스플레이에 활용하기에는 나노선의 길이가 수십 마이크로미터(㎛)로 제한되어 전도도와 투명도 향상에 제약이 있고, 나노선들의 접합으로 인해 표면거칠기*가 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.

ㅇ 전기방사공정은 전기장으로 고분자 용액을 분사하여 파이버 형태로 제조하는 방식이다. 공정이 간편하고 넓은 면적으로 제작이 가능하여 디스플레이 및 조명용 대형 OLED에도 적용될 수 있다.

ㅇ 연구팀은 은 파이버의 두께와 밀도 조절을 통해 전도도와 투명도를 극대화하였고, 그 결과 ITO를 이용한 OLED보다 19% 더 높은 에너지 변환 효율을 확인하였다.

□ 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 수행되었다. 나노소재 분야 국제학술지 스몰(Small) 12월 28일자 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용

2. 연구결과 개요

3. 연구이야기

4. 용어설명

5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

- 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)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

○ 현재 디스플레이용으로 가장 사용되는 투명전극은 전도성 및 투명성이 우수한 ITO 전극이다. 하지만 ITO 전극은 유연하지 못하고 ITO전극의 주성분인 인듐의 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 이에 유연 디스플레이용으로 연구되고 있는 유연투명전극으로는 은 나노와이어, 탄소나노튜브, 그래핀, 전도성 고분자 등의 연구가 진행되고 있다. 그 중 은 나노와이어는 전도성과 투명성이 우수하여 기존 ITO와 유사한 수준으로 보고되어 가장 유력한 차세대 유연투명전극으로 각광받고 있다.

○ 그러나 은 나노와이어는 길이가 수㎛의 길이를 가지고 있어 전도성과 투명성의 한계를 가지고 있고 또한 은 나노와이어들이 서로 연결되어 네트워크를 이루어야 유연투명전극으로 사용될 수 있는데, 네트워크를 이루는 과정에서 서로 접촉하는 부분에 높이가 높아져 표면거칠기가 상승하고 OLED의 전기적 불안정성을 유발하는 단점을 가지고 있다.

○ 따라서 은 나노와이어의 전도도와 투명성의 한계를 극복하기 위해 더욱 긴 길이가 필요하게 되며 전기적으로 안정적인 소자 제작을 위해 표면 거칠기를 낮춘 유연투명전극이 필요하게 된다.

2. 연구내용

○ 이번 연구에서는 전기방사공정을 이용하여 간편하게 수cm의 긴 은 파이버를 형성하여 기존 은 나노와이어보다 적은 양으로도 네트워크를 형성 할 수 있게 되었다.

○ 증착된 은 위에 전기방사된 고분자 파이버를 형성, 이를 식각 마스크로 이용한 뒤 식각액을 통해 식각한다. 이렇게 제작된 은 파이버는 은 나노와이어에서의 문제점이었던 접합면이 사라져 표면거칠기를 줄이고 접합 저항을 줄여 유연 디스플레이용 전극으로써 성능을 극대화시켰다. 전기방사는 대면적이 가능한 공정으로써 대면적의 은 파이버 유연투명전극을 구현하였다.

○ 은 파이버의 두께와 형성된 파이버의 밀도를 조절하여 전도도와 투명성을 독립적으로 조절할 수 있게 되어 전도도와 투명성이 극단적으로 향상하게 된다. 또한, 은 파이버 전극은 기계적 내구성 테스트를 통해 상용 투명전극인 ITO와 달리 굽힘 반경, 횟수에 따라 저항이 변하지 않는 것을 확인함으로써 유연투명전극으로서의 가능성을 확인하였다.

○ 유연 디스플레이 소자인 OLED에 은 파이버 전극을 이용하여 구현함으로써 상용 투명전극인 ITO를 이용한 OLED보다 더 높은 광변환 효율을 나타내는 것을 확인하였다.

3. 연구 성과

○ 전기방사공정을 도입하여 차세대 유연투명전극으로 각광받고 있는 은 나노와이어에 문제점 이었던 짧은 길이를 길게 만들고 와이어들 간의 접합을 제거하여 전도도와 투명도 측면에서 획기적인 성능의 유연투명전극을 제작하였다.

○ 전기방사법이용 대면적의 은 파이버 전극을 제작하여 구현함으로써 대형 디스플레이, 조명, 태양전지 등 다양한 대형 광학소자에 적용가능한 기술임을 보였다.

○ 현재 모바일 디스플레이 산업의 핵심인 OLED를 은 파이버 유연투명전극을 적용하여 제작함으로써 차세대 유연 디스플레이 소자에 도입 될 유망한 기술임을 증명하였다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

ㅇ 현재 상용 투명전극인 ITO는 전도도와 투명도가 우수하여 디스플레이 및 다양한 광학 소자에 널리 이용되어 지고 있다. 하지만 가격이 비싸고 유연하지 않아서 유연 디스플레이 소자 구현에 있어서 유연투명전극 개발은 필수적이다. 차세대 유연투명전극으로 각광받는 은 나노와이어는 길이가 짧아 전도도와 투명도에 한계를 가지고 있고 표면 거칠기로 인해 박막소자인 OLED에 적용하기 어렵다.

ㅇ 따라서 OLED용 유연투명전극으로 이용되기 위해서는 길이가 매우 길고 표면거칠기를 줄인 와이어 혹은 파이버 형태의 전극이 요구되며 그 성능은 상용 ITO 이상을 보여야 한다.

2. 연구내용

ㅇ 은 나노와이어 보다 긴 길이의 은 파이버를 제작하기 위해서 전기방사공정을 이용하였다. 은 파이버 제조 방법으로는 플라스틱 기판위에 은 박막을 증착한 뒤, 은 박막위에 전기방사공정을 통해 고분자 파이버를 형성한다. 이 고분자 파이버를 식각 마스크로 이용하여 은 박막을 식각 하게 되면 접합이 없는 연속적인 하나의 망을 형성하는 은 파이버 전극을 얻을 수 있다. 이러한 은 파이버 구조는 전도도가 뛰어나고 접합이 없어 표면 거칠기를 은 증착 두께로서 조절할 수 있다. 이를 통해 기존 은 나노와이어 대비 낮은 표면거칠기와 100배 이상 긴 길이를 갖는 은 파이버 전극을 제작하였고, 우수한 전도도와 투명도를 보였다.

ㅇ 은 파이버 전극은 저항과 투과도를 파이버의 두께와 밀도로서 독립적으로 조절이 가능하여 저항 대비 투과도의 성능을 극대화 시켰다. 또한 기계적 내구성을 테스트하여 유연전극으로써의 적용가능성을 증명하였고, 대면적의 은 파이버 전극을 선보여 대면적으로도 이용가능한 전극임을 확인시켰다.

ㅇ 이러한 은 파이버 전극을 이용하여 디스플레이 소자인 OLED를 제작하였다. 상용 투명 전극인 ITO를 이용한 OLED에 비하여 더 높은 광변환효율을 갖는 것을 확인하여 차세대 유연투명전극으로서의 우수함을 규명하였다.

3. 기대효과

ㅇ 은 파이버 유연투명전극은 OLED 이외에도 LED, 태양전지, 터치스크린, 광 센서 등 다양한 광학전자소자에 적용할 수 있어 전도도 및 투명도가 우수한 은 파이버는 다양한 응용분야에 잠재력을 가지고 있다.

ㅇ 은 파이버 전극은 대면적으로 제작이 가능하고 낮은 저항을 갖기 때문에 차세대 조명으로 연구되고 있는 OLED조명에 은 파이버 전극을 적용 했을 시 높은 구동전압, 비균일 발광 등의 여러 문제점들을 해결할 수 있을 것이다.

ㅇ 은 파이버를 제조하는 공정이 기존 반도체 공정인 증착 및 식각 공정으로 이루어져 있어 비교적 단순하고 대량생산 및 대면적화가 용이하다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

OLED 용 전극에 대한 연구 중 차세대 전극으로 각광받는 은 나노와이어의 문제점을 파악하고 한계를 극복하기 위하여 은 파이버 전극 개발에 착수하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

은 파이버 전극을 제작하기 위해서 은을 유연기판에 증착한 뒤 고분자 파이버 형성하고 이를 식각 마스크로 이용하여 은 파이버 전극을 제작하였다. 제작된 은 파이버 전극의 투과도 및 면저항을 증착된 은의 두께와 형성된 파이버의 밀도를 조절하면서 측정하였다. 또한 유연전극으로서의 실효성을 확보하기 위해 기계적인 스트레스에 따른 저항변화도 검증하였다. 마지막으로 유연디스플레이에 효과적인 유연투명전극임을 증명하기 위해 은 파이버를 적용한 OLED소자를 제작하여 그 특성을 분석하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

은(silver)은 귀금속 중 하나로서 다른 금속에 비해 화학물질과의 반응성이 크지 않아 식각액을 선정하는데 제한적이다. 게다가 고분자 파이버를 마스크로 이용하게 되는데 고분자 파이버에 반응하지 않는 식각액을 선정해야 함으로써 식각 방법을 도입하는데에 어려움을 겪었다. 적합한 식각 공정을 확보하기 위해 선행 연구 검색과 관련 지식을 보유한 주변 지인들의 도움을 통해서 이를 해결할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

OLED용 은 나노와이어에 대한 연구는 많이 진행되어 왔지만 은 나노와이어의 한계를 극복한 OLED용 길이가 길고 접합이 없는 은 파이버에 대한 연구는 이번이 첫 시도이다. 또한 은 파이버 전극을 OLED에 적용시 상용 ITO 전극에 비해 우수한 광변화효율을 확보하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

향후 은 파이버 전극을 디스플레이 산업에 실질적인 기술이 될 수 있도록 은 파이버 전극의 화학적, 온도, 습도 안정성 등에 대하여 연구를 진행하고자 한다.

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.