황산 이용해 전기전도도 높인 인쇄형 플라스틱 투명전극 개발

이광희 교수팀, 고효율 전도성 플라스틱 박막 제작

이광희 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 황산을 이용해 전기전도도를 높인 인쇄형 플라스틱 투명전극을 개발했다.

미래창조과학부는 이광희 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 차세대에너지연구소 이성호 박사(공동 교신저자)가 주도하고 신소재공학부 김나라, 기세영 박사과정 연구원(공동 제1저자)이 기존 투명전극의 한계를 극복할 최고 전기전도도를 갖는 인쇄형 플라스틱 투명전극을 개발했다고 10일 밝혔다.

저렴한 황산을 이용한 간단한 용액공정으로 투명전극에 쓰일 전도성 플라스틱 박막을 만들 경우 향후 휘어지는 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

투명전극은 가시광 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 1000 S/cm 이상 높은 전기전도도를 동시에 지닌 전극으로 각종 디스플레이 소자나 태양전지 등의 핵심부품이다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업의 지원으로 수행돼 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지 9일자 표지논문으로 게재됐다.

전기전도도와 가시광선 투과도가 높은 전도성 플라스틱은 고가 희귀금속인 인듐을 사용하고 깨어지기 쉬운 인듐주석산화물(ITO)을 대체할 투명전극 소재로 주목받고 있지만 ITO와 같은 전기전도도를 얻기 위해 진공에서 기화시키는 추가적인 증착공정이 필요해 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 대표적인 전도성 플라스틱 물질에 황산을 처리하면 전기전도도를 ITO에 상응하게 높일 수 있다는 것을 알아냈다.

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

황산은 전도성 플라스틱을 알갱이 형태에서 나노섬유 형태로 바꿔주면서 결정도를 높여 전기전도도를 높이는 작용을 해 전기전도도를 높이기 위한 번거로운 증착공정을 생략할 수 있게 된다.

용액 상에서 전도성 플라스틱 잉크를 기판에 코팅하여 건조한 상태로 전도도가 1 S/cm로 낮고 알갱이 형태인 코팅된 전도성 플라스틱 박막에 고농도의 황산을 처리하면 자동양성자이전 반응을 통해 형성된 황산의 양이온과 음이온이 전도성 플라스틱 전도체와 지지체를 분리시켜 물로 세척하는 과정에서 지지체(PSS)가 제거되면서 전도체 구조의 재정렬이 일어나 결과적으로 결정구조를 지닌 고전도도의 플라스틱 나노섬유가 형성된다.

이렇게 만들어진 플라스틱 박막을 투명전극으로 사용해 유기 태양전지를 제작한 결과 ITO 전극을 이용한 경우 대비 95%의 광전변환 효율을 나타냈다.

이 교수는 “이번 연구결과는 용액 공정을 통해서도 전도성 플라스틱에서 우수한 전기적 특성이 나타나고 있다는 것을 입증한 것으로 깨어지기 쉬운 ITO를 대체해 향후 투명하고 휘어지는 인쇄형 전자소자의 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.

황산을 이용한 전기전도도 향상 메커니즘 모식도