더 날씬해진 전극, 더 투명해진다
전극 두께 줄여 투과도 높이면서 금속도핑으로 전기전도도 저하 막아
▲ 전기전자공학부 강대윤 박사(제1저자, 왼쪽), 김태근 교수(교신저자, 오른쪽)
얇을수록 투명해지는 대신 전기 전도도는 낮아지는 투명전극.
그 가운데 상용 투명전극 보다 3배 얇지만 전기전도도는 높은 초박막 투명전극 제조기술이 소개돼 화제다.
공과대학 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀은 초박막 투명전극의 전기 전도도와 투과도를 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하고 이를 통해 고효율 에너지 변환소자를 구현해냈다. 이것은 첨단 광‧에너지 소자의 효율을 결정하는 핵심부품인 투명전극을 50 나노미터 이하 두께로 만들면서 전기적, 광학적 성능은 동시에 높일 수 있는 표면처리 기술이다.
* 도핑(doping) : 반도체 또는 금속 산화물 등의 박막에 불순물을 첨가함으로써 전기적, 물리적인 특성을 조절하는 공정.
이번 연구결과는 나노기술 분야 국제학술지‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 2021년 10월 16일 게재됐다.
- 논문명 : 효율적인 에너지 변환 장치를 위한 금속 도핑된 초박막 전도성 산화물 투명 전극
- DOI : http://doi.org/10.1007/s40820-021-00735-y- 저자 : 김태근 교수(교신저자/고려대학교), 강대윤 박사(제1저자/고려대학교), 김보현 박사 (제1저자/공주대학교), 이태호 박사(공저자/고려대학교), 심재원 교수(공저자/고려대학교), 김성민(공저자/김성민), 성하준 박사(공저자/KAIST), 장기주 교수(공저자/KAIST)
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 개발했다. 금속 이온을 전극 표면에 국부적으로 도핑함으로써 박막의 높은 투과도는 유지하면서 면저항을 감소시켜 50 나노미터 이하의 초박막 산화물 투명전극을 제조해냈다.
* 전계유도 이온주입 : 전압인가를 통해 원하는 금속 원자나 이온을 투명전극의 표면에 주입, 확산시켜 전극의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 변경시키는 도핑 방법.
실제 이렇게 만들어진 초박막 투명전극을 유기발광다이오드, 자외선 발광다이오드, 유기태양전지의 양전극 또는 음전극으로 적용하자 구동전압이 낮아지거나 전력효율이 높아지는 등 소자효율이 향상됐다. 연구진에 따르면 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 수행됐다.
[ 그 림 설 명 ]
(그림1) 전기장 유도 금속 도핑을 이용한 초박막 투명전극 제작 및 특성 분석
(a) 유리 기판 위에 인듐주석산화물(ITO), 질화알루미늄(AlN), 니켈(Ni) 구조를 형성하고 전압을 인가하면 니켈이 인듐주석산화물 표면에 확산 및 도핑된다. 이후 특수 용액처리를 통해 질화알루미늄을 식각하여 초박막 투명전극을 완성한다.
(b~f) 투명전극 표면에 다양한 결합상태로 존재하는 니켈이 약 3%의 농도로 고르게 분포된 것을 확인했다.
(그림2) 제작된 초박막 투명전극의 다이오드 및 태양전지소자에의 적용 결과
(왼쪽) 유기발광다이오드(OLED)의 경우 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 구동전압은 약 4.9 V로 약 15% 감소했고 6 V에서의 전류 밀도 또한 레퍼런스에 비해 약 120% 높게 나타났다.
(가운데) 자외선발광다이오드(UV-LED)의 경우 20mA에서 전방 전압(Forward voltage)이 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 5.5 V에서 5.0 V 및 4.85 V로 감소하였고 약 30%의 출력 전력 증가를 보인다.
(오른쪽) 유기태양전지(OPV)의 경우 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 전력효율이 11.4%에서 13.8%로 향상됐다.
커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)