최근 구부러지는 휴대폰 등 유연한 형태의 전자기기 상용화에 관심이 높아지면서 이에 적합한 투명전극 물질을 찾는데 학계와 산업계의 관심이 모아지고 있는 가운데 국내 연구진이 기존 투명전극 물질의 한계를 극복, 활용도를 극대화한 물질을 만드는 데 성공해 학계의 주목을 받고 있다.
아주대학교 이순일 교수 연구팀은 은 나노와이어를 활용한 투명전극으로 반투명 유기태양전지를 만드는데 성공했다고 7일 밝혔다.
이 교수팀은 은 나노와이어를 망상구조(Network Structure) 형태로 만든 투명전극을 음(陰)극으로 사용해 유기태양전지를 구현해 냈다. 나노 수준의 은 전선들이 얼기설기 그물망 형태로 얽혀있는 구조(망상구조)는 빈 공간이 많아 투명하면서도 우수한 전도성을 갖고 있다.
현재 산업계에서 디스플레이나 태양전지와 같은 광전소자를 만드는 데 쓰이는 투명전극 물질은 인듐주석산화물(이하 ITO)이 유일하다. 그러나 ITO는 제작에 고비용의 진공 공정이 필요하고, 조금만 휘어도 잘 깨지는 단점이 있다. ITO 대체재 중 하나로 떠오르고 있는 그래핀도 고온 진공장비를 이용한 공정이 필수적이다.
이 교수팀은 이미 2010년에 탄소나노튜브 투명전극을 만들어 유기태양전지에 적용한 실적을 가지고 있는데, 이번에 새로 개발된 은 나노와이어 투명전극은 특성이 20배 이상 향상된 것으로 ITO와 대등한 전기적·광학적 특성을 보인다.
이러한 일차원 나노재료 기반 투명전극 제작에는 나노재료의 분산, 분사·회전 도포 등의 이 교수팀만의 노하우가 담긴 용액공정이 사용됐다.
또한, 태양전지의 양극과 음극만이 아니라, 두 전극 사이의 다양한 기능 층들의 형성에도 모두 용액공정만을 이용했다. 용액 공정은 고가의 진공장비를 전혀 사용하지 않기 때문에 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있어 산업화의 현실성이 매우 높고 고온 처리가 필요 없어 잘 휘어지는 플라스틱 위에도 만들 수 있다는 장점이 있다.
이 교수는 “은 나노와이어를 이용한 태양전지는 유연하고 반투명하기 때문에 사용처가 무궁무진할 것으로 예상된다. 이번에 개발된 태양전지는 가시광선을 전기로 바꾸는데 효과적인데, 적외선을 잘 흡수하는 다른 태양전지를 겹쳐서 사용하면 모든 파장의 태양광 에너지를 전기로 전환할 수 있어 유리창문이 곧 태양전지가 될 수 있다. 더불어 유연한 태양전지나 발광소자 같은 플라스틱 광전소자는 스마트 의류의 구현에도 중요한 의미가 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 “용액공정만이 적용된 은 나노와이어 음극과 전도성 고분자 양극을 갖는 반투명 유기태양전지(Fully Solution-Processed Semitransparent Organic Solar Cells with a Silver Nanowire Cathode and a Conducting Polymer Anode)"라는 논문으로 나노분야의 세계적 학술지인 ACS NANO(미국 화학회가 발행하는 나노분야 전문학술지, IF=12.062) 3월호에 게재됐다.
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