용액공정으로 고성능 저비용 투명전극 제작

문주호 교수팀, 태양전지 적용 성공

문주호 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 용액으로 만드는 고성능 저비용 투명복합전극을 개발했다.

미래창조과학부는 문주호 연세대학교 신소재공학과 교수와 김아름 박사과정 연구원(제1저자)이 용액공정만을 이용해 고성능 투명전극을 제작하고 이를 태양전지에 적용하는데 성공했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 대기 중에서 제작해 제작비용을 크게 낮춰 태양전지나 디스플레이 패널 등 관련기기의 경제적 생산에 기여할 것으로 기대된다.

투명전극은 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 낮은 비저항을 갖는 반도체 전극으로 그래핀, 탄소나노튜브, 금속 나노와이어 등을 기반으로 한다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 수행돼 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈지 2일자 속표지로 게재됐다.

이는 지난해 1월 연구팀이 ACS Nano지에 발표한 진공증착 기반 투명복합전극을 발전시킨 결과다.

기존 인듐-주석 산화물(ITO) 투명전극은 매장량에 한계가 있는 고가의 인듐을 이용하고 고진공 설비가 필요해 생산단가가 높다는 한계가 있었다.

이를 대기 중에서 제작 가능한 용액공정으로 대체하면 값비싼 고진공 장비가 필요 없고 롤-투-롤 방식 등을 적용한 대량생산도 가능해 비용절감 효과를 기대할 수 있다.

연구팀은 안정성과 투과성이 뛰어난 산화아연 박막 사이에 은으로 된 극미세선인 은 나노와이어 필름을 삽입한 고투과성 및 고전도성의 투명 복합전극을 용액공정만 이용해 만들었다.

이렇게 만들어진 투명전극을 박막 태양전지에 적용한 결과 기존 진공증착 방식으로 만든 ITO 전극과 동등한 효율을 발현하는 것으로 나타났다.

전도성이 뛰어난 은 나노와이어 필름은 용액공정이 가능해 차세대 투명전극 물질로 주목받고 있지만 물리적 마찰이나 열에 약하고 대기 중에서 산화되면 전도성이 떨어지는 한계가 있어 우수한 전도성과 투과율은 유지하면서 은 나노와이어 필름의 안정성을 향상시키는 것이 관건이었다.

연구팀은 산화아연과 은 나노와이어를 복합해 기존의 한계를 극복했다.

기계적·열적 안정성이 뛰어난 산화아연 박막이 은 나노와이어를 위아래로 감싸도록 해 안정성을 높이고 낮은 전도성을 보완했다.

산화아연 박막은 은 나노와이어 사이를 메워 필름표면을 매끄럽게 해주고 은 나노와이어가 없는 빈 공간에서의 전자이동을 도와주는 역할도 수행한다.

문 교수는 “용액공정으로 제작한 투명복합전극은 고가의 인듐을 사용하지 않고 진공 공정이 필요 없어 비용절감 효과를 얻을 수 있다”며 “고성능과 저비용의 두 마리 토끼를 잡는 차세대 투명전극 소재로 유용할 것”이라고 밝혔다.

어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈지 2일자 속표지로 선정된 전 용액 공정을 이용해 제작된 투명복합전극 제작과 작동 원리 이미지, 왼쪽 위에서처럼 스포이드로 용액을 도포하는 것은 기존 투명전극에서 필요한 진공증착 과정 없이 태양전지 셀 위에 직접 용액을 코팅한 후 열처리해 제작하는 전 용액공정을 의미한다. 가운데에는 금속산화물과 은 나노와이어 기반의 투명 복합전극에서 전자가 이동하는 메커니즘을 표현했다. 그림에서처럼 셀에서 생성된 전자(e-)는 투명한 전도성 금속 산화물층을 거쳐 전도도가 우수한 은 나노와이어를 통해 원활하게 전달된다