국내 연구진, 니켈 기반 고안정성 휘어지는 투명 전극 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 값싼 재료와 간단한 공정으로 산업 응용 가능성이 높은 니켈 전극을 개발했다.

용액 공정 기반 박막 코팅 기술과 레이저 디지털 패터닝 기술을 이용한 니켈 전극 프린팅 과정. 연구진은 산화니켈 나노입자 잉크를 대량으로 제조할 수 있는 합성 방법을 개발했다. 산화니켈 나노입자 잉크를 투명하고 플렉서블한 폴리머 기판 상에 스핀 코팅해 박막을 형성한 후 레이저 디지털 패터닝 공정을 적용함으로써 환원·소결·패터닝을 원스텝으로 진행시켰다. 그래픽=한국연구재단.

이대호 교수(가천대), 고승환 교수(서울대) 연구팀이 잘 휘어지고 극한 환경에서도 녹슬지 않는 니켈로 저가의 안정적이고 유연한 투명 전극을 제조했다고 한국연구재단은 31일 밝혔다.

휘어지고 접히는 차세대 광전자 소자에서 전극은 유연성과 투명성이 필수적이다. 유연한 투명 전극을 구성하는 소재로 은, 구리가 연구됐지만 각각 재료값이 비싸거나 고온에서 산화돼 버리는 한계가 있었다. 연구팀은 이들을 대신할 새로운 소재로 니켈에 주목했다.

연구팀은 니켈 전극을 제작하기 위한 고농도의 산화니켈 나노입자 잉크를 대량 제조했다. 여기에 레이저 디지털 패터닝에 의한 선택적 환원소결 현상을 이용해 눈에 잘 보이지 않는 그물망 형태의 니켈 전극을 형성하는데 성공했다.

레이저 디지털 패터닝은 나노입자로 구성된 박막에 레이저를 선택적으로 조사해 간단하고 편리하게 전극을 프린팅할 수 있는 기술이다. 환원소결 현상은 금속산화물 나노입자가 금속으로 환원되면서 동시에 소결되는 현상을 말한다.

연구진이 개발한 혁신적인 산화니켈 나노입자 잉크 덕분에 열에 약한 PET 기판에도 전도성 높은 니켈 전극을 형성할 수 있다. 산화니켈 잉크가 레이저 공정의 전력을 낮춰 기판에 가해지는 열응력이 낮아졌기 때문이다.

열응력은 물체 내부의 온도차 및 열팽창 정도의 차이에 의해 발생한 응력이다.

니켈로 제작된 유연한 투명 전극은 여러 박리 검사에서도 기판에서 분리되지 않고 휘거나 비틀었을 때 매우 안정적인 기계적?전기적 성질을 나타냈다. 또 섭씨 400도(℃) 이상, 바닷물 속 환경에서도 녹슬지 않는 우수한 내구성을 가졌다.

이대호 교수는 “니켈 전극 특유의 높은 전기적·기계적·화학적 안정성으로 기존 투명전극 재료들을 대체하거나 보완할 것”이라며 “휘어지고 접히는 차세대 디스플레이·태양전지 소자는 물론, 차량용 히터, 스포츠 고글, 스마트 글래스 등의 다양한 웨어러블 장치에 응용될 것으로 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 교육부·과학기술정보통신부·한국연구재단의 기초연구사업(기본연구, 중견연구) 및 산업통상자원부·한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다. 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 1월 11일 게재됐다.