더 날씬해진 전극 더 투명해진다
전극 두께 줄여 투과도 높이면서 금속도핑으로 전기전도도 저하 막아
□ 얇을수록 투명해지는 대신 전기전도도는 낮아지는 투명전극. 그 가운데 상용 투명전극 보다 3배 얇지만 전기전도도는 높은 초박막 투명전극 제조기술이 소개됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김태근 교수(고려대학교) 연구팀이 초박막 투명전극의 전기전도도와 투과도를 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하고 이를 통해 고효율 에너지 변환소자를 구현했다고 밝혔다.
※ 도핑(doping) : 반도체 또는 금속 산화물 등의 박막에 불순물을 첨가함으로써 전기적, 물리적인 특성을 조절하는 공정.
○ 첨단 광‧에너지 소자의 효율을 결정하는 핵심부품인 투명전극을 50 나노미터 이하 두께로 만들면서 전기적, 광학적 성능은 동시에 높일 수 있는 표면처리 기술이다.
□ 유기발광다이오드나 태양전지 소자들이 소형화되고 유연성을 요구하기 때문에 전극 또한 투과도와 전기전도도를 유지하면서 더욱 얇아져야 한다.
○ 하지만 전극은 두께가 감소하면 투명도는 향상되지만 면저항은 반대로 증가하는 모순된(trade-off) 관계를 보인다. 따라서 기존 광 변환 소자들은 투명도의 손실을 보더라도 150 나노미터 이상의 두꺼운 투명전극을 사용한다.
□ 이에 연구팀은 니켈, 은, 구리 등 금속(불순물)을 전계 유도 이온 주입 방식으로 투명전극 표면에 확산, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하였다.
※ 전계유도 이온주입 : 전압인가를 통해 원하는 금속 원자나 이온을 투명전극의 표면에 주입, 확산시켜 전극의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 변경시키는 도핑 방법.
○ 금속 이온을 전극 표면에 국부적으로 도핑함으로써 박막의 높은 투과도는 유지하면서 면저항을 감소시켜 50 나노미터 이하의 초박막 산화물 투명전극을 제조해냈다.
□ 실제 이렇게 만들어진 초박막 투명전극을 유기발광다이오드, 자외선 발광다이오드, 유기태양전지의 양전극 또는 음전극으로 적용하자 구동전압이 낮아지거나 전력효율이 높아지는 등 소자효율이 향상되었다.
○ 150 나노미터 두께 상용 ITO 기반 소자 대비 에너지 변환효율이 각각 24%, 30%, 21%의 향상되었다는 설명이다.
□ 김태근 교수는 “전기전도도와 투과도 두 가지 특성을 독립적으로 제어해 각각의 성능을 동시에 최적화한 것”이라면서 “특히 공정이 단순하고 열처리가 필요 없는데다 원하는 위치에 선택적 도핑이 가능하다는 것이 장점”이라고 설명했다.
□ 저비용‧고효율 광전변환 소자 개발의 동력이 될 이번 연구의 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행되었고 나노기술 분야 국제학술지‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 2021년 10월 16일 게재되었다.
