국내 연구진이 OLED소자 적용을 위한 은 나노와이어 기반 유연 투명 복합 전극을 개발했다. 전도성 및 투과도가 좋지만 표면 거칠기 및 외부 환경에 대한 취약점 등을 가지는 나노와이어의 특성을 개선하기 위해 IZO 박막과 PEDOT:PSS 박막을 적용해 제작됐다.
제작된 복합 전극은 전기적, 화학적, 물리적 자극에 대해 안정적인 특성을 보였으며 우수한 유연성, 투과도 및 전도성을 보였다. 복합전극을 이용해 제작된 OLED소자는 기존의 상용화된 ITO 전극 기반 소자 대비 향상된 효율을 보였다.
고려대 주병권 교수와 박영욱 연구교수연구팀이 은 나노와이어, 아연 산화물(IZO), 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 층층이 쌓아올려 결합한, 발광 효율과 소자 유연성이 대폭 향상된 투명 유연 디스플레이용 전극을 개발했다. 전도성 고분자는 분자량이 큰 분자로 이루어진 물질 중 전류가 비교적 잘 통하는 것으로, 휘어지고 가벼운 특징 때문에 최근 LED, 태양전지, 각종 디스플레이 등으로 개발되고 있다.
디스플레이와 각종 광전자소자의 전극용 물질로는 전도도와 투명도가 우수한 주석 산화물(ITO)을 많이 사용했다. 그러나 주석은 가격이 비싸고 고온 공정에서 제작해야 하며 잘 깨지므로 유연 소자에는 활용이 어려웠다.
은 나노와이어는 ITO의 대체물질로서 전도도와 투명도가 우수하며 가격이 저렴하다. 그러나 표면이 거칠고 쉽게 산화가 되는 등 외부 스트레스에 취약하다. IZO는 투명 전도성 산화물로서 저온공정이 가능하나 ITO에 비해 전도도가 다소 떨어진다.
▲ 그림 1. 은 나노와이어 기반 복합 전극의 제작 과정에 대한 그림 (a) 과 각 과정에서 전극 표면 (b-d) 을
주사 전자 현미경을 통해 확인했다. 은 나노와이어의 이음 부분이 IZO로 덮이고 PEDOT:PSS에 의해 표면
거칠기가 감소하는 것을 보여주고 있다.
PEDOT:PSS는 전도성 고분자로서 OLED에 자주 쓰이며 정공을 많이 주입시켜 전자와 정공의 균형을 좋게 하는 훌륭한 재료다. 그러나 면저항값이 높아 응용분야의 단일전극으로 활용하기에는 한계가 있다.
▲ 그림 2. 은 나노와이어 기반 복합 전극의 외부환경에 따른 안정성을 테스트 하였다. 산소 플라즈마 처리에 따른 변화 (a-b),
스카치테이프 테스트 (c) 에 따른 변화, 85도에서 열처리 시간에 따른 변화 (d), 그리고 다양한 pH 용액 처리 (e) 에 따른 변화를
확인했다. 은 나노와이어 자체는 외부환경에 취약하지만 복합 전극은 매우 안정적인 특성을 가지는 것을 보여주고 있다.
▲ 그림 3. 은 나노와이어 기반 복합 전극의 광학적, 전기적 특성을 최적화 하였다. 각 물질의 조건에 따른 투과도, 면저항 및
성능지수 (a), 다른 은 나노와이어 기반 전극에 관한 최근 연구들과의 비교 (b), IZO 두께에 따른 전극의 모습 (c), 그리고 그에
상응하는 파장에 따른 투과도 그래프 (d)를 보여주고 있다. 복합 전극은 다른 연구들과 비슷하거나 우수한 성질을 보여주고 있으며,
각 물질의 조건에 따라 특성을 조절 할 수 있다.
▲ 그림 4. 은 나노와이어 기반 복합 전극 기반 OLED 소자의 전압 발광 특성을 나타내었다. OLED 소자의 구조 (a) 와 전극의
조건에 따라 전압에 따른 전류 밀도 및 휘도 그래프 (b), 휘도에 따른 전류 효율 및 전압 효율 그래프 (c), 그리고 외부 양자 효율
(d) 을 보여주고 있다. 복합 전극은 ITO 대비 향상된 발광 특성을 보이고 있다.
비싼 ITO 전극 대체 가능성 제시
이에 연구팀은 각 단일 재료의 문제점을 극복하기 위해 은 나노 와이어, IZO, PEDOT:PSS 복합 구조의 투명 유연 전극을 개발했다. 연구팀은 은 나노와이어 박막층 위에 IZO 층을 입혔다. 이로 인해 별도의 고온 후처리 없이도 은 나노와이어 간의 연결을 보완했으며 산화 등의 외부 스트레스로부터 보호할 수 있게 됐다.
그리고 IZO 층 위에 PEDOT:PSS 코팅을 했다. 이로 인해 박막의 거칠기가 개선되고 복합 물질 사이의 완충 역할로 인해 더 유연해졌으며 소자 효율이 높아졌다.
연구팀 관계자는 “이렇게 개발한 복합 유연 투명전극을 OLED에 적용했을 때, 외부양자효율(EQE)이 ITO 전극에 비해 최대 23% 증가했다. 외부양자효율은 결합된 전자가 빛으로 방출되는 비율로서, 이 값이 높으면 적은 전력으로 소자 구동이 가능하다”고 설명했다.
주병권 교수는 “은 나노와이어의 한계를 극복하고자 다른 재료와 복합하는 방식은, 더욱 진보한 전극 기술로 활용될 것”이라며 “이는 매장량이 부족하고 원가가 비싼 ITO전극을 대체할 수 있는 가능성을 제시했다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
이번 사업은 한국연구재단에서 지원한 학문후속세대양성사업(교육부 소관 사업)과 한국전자통신연구원 등의 사업 지원을 받았으며, 세계 3대 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 10월 5일자로 게재됐다.
김진희 기자 (eled@hellot.net)
