스마트폰과 같은 전자기기의 투명전극에 널리 사용되는 희소금속인 인듐을 대체할 수 있는 은나노와이어(silver nanowire)를 산화그래핀으로 코팅함으로써 안정성을 크게 높인 투명전극 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 산화그래핀으로 코팅된 은나노와이어는 유연한데다 저항성과 내구성이 강해 향후 휘어지는 디스플레이와 태양전지 등의 개발에 기여할 전망이다.

*투명전극(transparent electrode) : 빛 투과율이 높고 전기 전도성이 있는 박막으로 OLED, 평판 디스플레이, 태양전지의 필수 부품임

성균관대 이효영 교수(49세)와 삼성전기 김운천 박사팀이 공동으로 수행한 이번 연구결과는 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 1월 23일자 온라인판에 게재되었다. (논문명: 2D Graphene Oxide Nanosheets as an Adhesive Over-Coating Layer for Flexible Transparent Conductive Electrodes)

성균관대의 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었다.

최근 중국과 일본의 사례에서 보듯 각종 전자기기의 소재가 되는 희귀광물은 국가간 외교분쟁의 원인이 될 만큼 중요한 전략적 자원이다. 그 가운데서도 ‘제2의 희토류’로 불릴 정도로 희귀한 인듐은 투명하면서도 전기가 잘 통해 TV나 스마트폰에 쓰이는 투명전극 필름의 원재료로 널리 사용되고 있다.

하지만 인듐은 광석 1톤당 0.05g밖에 존재하지 않고 그마저 항상 주석이나 납 등과 함께 존재하기 때문에 생산이 쉽지 않다. 또 인듐으로 만든 투명전극 ‘인듐주석산화물(ITO)’은 구부릴 경우 부서지기 때문에 휘어지는 디스플레이 등에는 적용하기 힘들다.

때문에 대체물질로 비교적 생산공정이 쉬운데다 가늘고 긴 형태로 인해 투명함과 휘어짐, 이 두 가지 특성을 동시에 가질 수 있는 은을 이용한 나노와이어가 주목받고 있다.

연구팀은 은나노와이어를 아주 얇은 단일의 탄소층인 산화그래핀으로 코팅하여 투명도는 떨어뜨리지 않으면서도 공기에 의한 산화는 견딜 수 있도록 한 유연한 투명전극 필름을 개발했다.

은나노와이어를 대면적 디스플레이에 활용하기 위해서는 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 코팅하는 과정이 필요한데 기존 방식처럼 고분자로 코팅하는 경우 표면이 두꺼워져 투명도 및 전기전도도가 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 서로 밀착하려는 친수성의 플라스틱 기판과 친수성의 산화그래핀 사이에 은나노와이어를 위치하도록 하면 플라스틱 기판과 은나노와이어의 밀착력을 크게 높일 수 있다는 점에 착안했다. 이를 통해 높은 투명도와 전기전도도, 낮은 빛반사를 동시에 만족시킬 뿐만 아니라 2개월 이상 공기 중에 노출시켜도 산화되지 않도록 한 것이다.

이 교수는 “인듐과 같은 희귀금속이 부족한 우리나라가 세계 투명전극 필름 시장에서 지속적인 우위를 선점하기 위해서는 새로운 소재발굴이나 기술개발이 필요하다. 이번 연구결과를 통해 인듐에 비해 공정이 쉽고 대량생산이 가능한 은나노와이어 및 산화그래핀을 이용할 수 있게 되어 향후 투명전극 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”고 연구의의를 밝혔다.