단일재료 한계 극복한 OLED용 복합 구조 투명전극 개발- 전력효율 23% 증가, 원가 비싼 주석전극 대체 가능성 제시

단일재료 한계 극복한 OLED용 복합 구조 투명전극 개발- 전력효율 23% 증가, 원가 비싼 주석전극 대체 가능성 제시

 

등록일 2016-11-01

 

 

 

단일재료 한계 극복한 OLED용 복합 구조 투명전극 개발
- 전력효율 23% 증가, 원가 비싼 주석전극 대체 가능성 제시 -
 
      
□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 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 개발하였다고 밝혔다.
   * IZO(Indium Zinc Oxide): 산화 인듐과 산화 아연의 화합물.
   ** 전도성 고분자: 분자량이 큰 분자로 이루어진 물질 (고분자 물질) 중 전류가 비교적 잘 통하는 것. 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 사용하였다. 그러나 주석은 가격이 비싸고 고온 공정에서 제작해야 하며 잘 깨지므로 유연 소자에는 활용이 어려웠다.
  * ITO(Indium Tin Oxide): 산화 인듐과 산화 주석의 화합물. 투명 전극으로 널리 사용됨.
 o 은 나노와이어*는 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.
   * 은 나노와이어 : 은으로 만들어진 와이어 구조체. 나노미터 단위의 직경과 마이크로 단위의 길이의 높은 종횡비를 가진다.
 o PEDOT:PSS는 전도성 고분자로서 OLED에 자주 쓰이며 정공*을 많이 주입시켜 전자와 정공의 균형을 좋게 하는 훌륭한 재료이다. 그러나 면저항** 값이 높아 응용분야의 단일전극으로 활용하기에는 한계가 있다.
   * 정공 : 전자의 반대 개념으로서 전자의 흐름을 반대로 생각한 것. 전자가 발견되기 이전에 양전하가 전류의 흐름으로 생각하였으나, 전자의 발견으로 개념상의 양전하로 정의 됨.
   ** 면저항 : 물질의 표면 저항. 면을 따라 흐르는 전류에 대한 저항. 높을수록 전류의 흐름을 방해한다.

□ 이에 연구팀은 각 단일 재료의 문제점을 극복하기 위하여 은 나노 와이어, IZO, PEDOT:PSS 복합 구조의 투명 유연 전극을 개발하였다.
 o 연구팀은 은 나노와이어 박막층 위에 IZO 층을 입혔다. 이로 인해 별도의 고온 후처리 없이도 은 나노와이어 간의 연결을 보완하였으며 산화 등의 외부  스트레스로부터 보호되었다.
 o 그리고 IZO 층 위에 PEDOT:PSS 코팅을 하였다. 이로 인해 박막의 거칠기가 개선되고 복합 물질 사이의 완충 역할로 인해 더 유연해졌으며 소자 효율이 높아졌다.
 o 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.

□ 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 연구의 의의를 밝혔다.

□ 한국연구재단에서 지원한 학문후속세대양성사업(교육부 소관 사업)과 한국전자통신연구원 등의 사업 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 세계 3대 학술지 네이처의 자매지인 ‘사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)’에 10월 5일자로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : OLED용 은 나노와이어-IZO-전도성고분자 유연 투명 복합 전극
     (Silver Nanowire-IZO-Conducting Polymer Hybrids for Flexible and Transparent Conductive Electrodes for Organic Light-Emitting Diodes)
   - 저자 정보 : 윤호준(고려대학교 전기전자공학과), 김세정(고려대학교 마이크로나노시스템 협동과정), 황주현(고려대학교 전기전자공학과), 심용섭(고려대학교 전기전자공학과), 정선규(고려대학교 마이크로나노시스템 협동과정), 박영욱(고려대학교 첨단소재부품개발연구소),  주병권(고려대학교 전기전자공학부)

□ 논문의 주요 내용
   - OLED소자 적용을 위한 은 나노와이어 기반 유연 투명 복합 전극 개발에 관한 연구로써, 전도성 및 투과도가 좋지만 표면 거칠기 및 외부 환경에 대한 취약점 등을 가지는 은 나노와이어의 특성을 개선하기 위해 IZO 박막과 PEDOT:PSS 박막을 적용하여 제작하였다. 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.

 1. 연구의 필요성
   ○ 광전자소자용 투명전극에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 상용화된 ITO를 대체할 투명하고 유연한 성질을 갖는 단일 물질들은 각각 물성적으로 한계점을 지니고 있다.
   ○ 유연한 OLED에 적용 가능하면서 ITO 대비 우수한 효율을 가지는 투명 유연 전극 개발이 요구되고 있다. 

 2. 발견 원리
   ○ 은 나노와이어만으로 된 전극은 표면 거칠기가 크고 외부 환경에 취약하다는 점 등의 단점을 가지고 있지만 적절한 양의 다른 재료를 복합적으로 사용함으로써 이런 단점들을 보완하고 각 재료의 장점을 살릴 수 있다는 점을 응용하였다.

 3. 연구 성과
   ○ 특별한 고온 공정 없이 복합적인 재료의 사용만으로 각 단일재료의 단점을 개선하고 동시에 우수한 특성을 가지는 은 나노와이어 기반 복합 투명 유연 전극을 개발하게 되었다.
   ○ 복합 전극은 각각의 특성에 기인한 성능 향상뿐만 아니라, 계면에서의 상호 보완으로 유연성 및 투과도가 크게 향상되었다.
   ○ 복합 전극이 적용된 OLED 는 ITO전극을 사용한 같은 구조의 소자 대비 전류 효율이 동일한 조건에서 전류효율은 최대 38%, 전력효율은 33%, 그리고 외부 양자 효율*은 32% 향상되었다.
     *외부 양자 효율: 사용된 전자가 빛으로 방출되는 비율.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
ㅇ  ITO는 현재 LCD, PDP, OLED와 터치스크린, 플렉서블 디스플레이에 이르기까지 다양한 전자 소자의 투명전극으로 널리 이용되는 재료이다. 이러한 ITO는 전도성, 투명도 측면에서 각광받는 물질이지만 원료인 주석의 매장량에 한계가 있어 가격이 불안정하며 내재적인 세라믹 특성과 고온 공정의 필요성으로 인해 유연소자 적용에 한계가 있다.
ㅇ  이에 대한 대안으로 금속 및 산화 금속 나노와이어, 투명 전도성 산화물 혹은 전도성 고분자를 이용한 유연전극이 개발되고 있는데 여기에도 역시 몇 가지 문제점이 존재한다.
ㅇ  은 나노와이어로 구성된 유연전극은 전도성과 투명도 측면에서 ITO와 유사하며 경제성 측면에서도 우수하여 주목받고 있지만 유연전극으로 적용하기에 안정성이 다소 떨어지는 한계(산화되거나 물리적인 힘에 의하여 기판과 분리되거나 열에 녹는 문제)가 있다. 은 나노와이어 박막 층을 OLED 용 유연소자로 활용하기 위해서는 표면 거칠기 등을 해결할 방법이 필요하며 산화 및 물리적 스트레스로부터 견딜 수 있도록 강화하는 과정이 필요하다.
ㅇ  다른 대체 물질인 PEDOT:PSS는 OLED에 자주 쓰이는 훌륭한 정공 주입 층이지만 투명전극 소재로서 요구되는 면저항 값이 떨어져 소자의 구동전압이 높아지거나 전류효율이 안 좋아지는 등의 단점이 있다. 
ㅇ  투명 전도성 산화물, 특히 IZO는 ITO에 비해 저온 공정이 가능하여 유연 기판에 적용 가능하지만 취성이 크고 투과도(Transmittance : 물질층을 빛이 통과하는 정도) 및 면저항 값에서 다소 떨어진다는 한계가 있다.

 2. 연구내용
ㅇ  연구팀은 본 연구에서 은 나노와이어와 IZO 그리고 PEDOT:PSS의 계층적 복합 구조가 OLED용 투명전극으로서 우수한 성능을 보여준다는 것을 제시한다.
ㅇ  은 나노와이어 박막층은 높은 전자밀도 때문에 전도성이 뛰어나며, 은 나노와이어 박막층 위에 스퍼터링(sputtering)을 통해 삽입된 IZO층은 별도의 고온 후처리 없이 은 나노와이어 박막층에 다양한 전자경로를 제공하고, 아래의 은 나노와이어 박막층의 비접촉 부분을 연결한다. PEDOT:PSS는 IZO로 보조된 은 나노와이어 박막을 평탄화 하여 투과도를 높이고(빛이 계면으로 입사할 때 완전 평면인 계면과 거칠기가 심한 계면보다는 적당한 거칠기-제일 높은 곳과 낮은 곳의 차이가 40정도-의 계면이 투과도 향상에 좋다는 연구결과가 있음) OLED 유기층으로 부터 정공이 잘 전달될 수 있는 경로를 제공하는 역할을 함으로써 단일 물질로 도달 할 수 없는 낮은 면저항과 우수한 투과도를 달성하였다. (550nm 파장 대역에서 86% 가량의 투과도와 5.9Ωsq-1 의 면저항을 달성)
ㅇ  또한 은 나노와이어만으로 구성된 박막층의 취약점(물리적인 자극에 의한 기판과의 분리, 공기 접촉에 의한 산화, PEDOT:PSS와 직접 접촉 시 흡습성과 산성에 의한 부식 등)이 월등히 개선되었다. 이는 산화물 IZO가 은 나노와이어 간의 이음부분이 분리되는 것을 붙잡아주고, 기계적인 자극과 더불어 같이 사용된 PEDOT:PSS와의 반응 및 각종 화합물로 부터 지켜주는 역할을 하였기 때문이다.
ㅇ  이번 연구 결과의 중요한 성과 중 하나는 각 물질을 적당한 양으로 사용하여 전기적, 광학적, 물리적인 성질 분석을 통한 최적화를 통해 원하는 특성을 가지는 전극을 제작할 수 있다는 가능성을 제공하였다는 점이다. 또한 다양한 종류의 박막을 다층으로 제작함으로써 향상된 물성을 얻을 수 있다는 가능성을 제시하였다.

3. 기대효과
 ㅇ 본 연구에서는 개발한 복합 투명 유연 전극으로 높은 효율의 OLED 소자를 구현해 조명 및 다수의 디스플레이에 직접 적용할 수 있는 부품으로서의 가능성을 보여주었다. 계속해서 유연 투명 전극 제작 기술을 이용하여 디스플레이와 조명을 구현한다면 평면에서 나아가 휘어지고 구부러지는 등의 다양한 형태의 스마트폰 및 전자기기 구현에 도움이 될 것이다.
 ㅇ 복잡하거나 큰 비용이 드는 증착 방법을 쓰지 않고 스핀코팅 및 스퍼터링과 같은 기본적인 방법으로 재료의 복합화만을 통해 구현한 전극 기술은 유연 및 투명 전자제품에 대한 다양한 접근 방향을 촉진할 것으로 보인다. 또한 복합 소재간의 계면에서의 기대 이상의 상호 보완에 의한 성능 향상을 확인할 수 있었다.
 ㅇ 이번에 개발한 복합 전극 제작 기술과 소재간 최적화에 대한 데이터는 다양한 나노소재를 이용한 다양한 형태의 박막층을 다 계층으로 발전시키는 데 활용할 수 있어 의미가 크다.
 ㅇ 앞으로 이 기술의 실용화를 위해 모든 증착방법 및 재료의 용액화 방법을 개발하여 지금보다 공정시간을 단축하고 대면적으로 만드는데 연구를 집중할 예정이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

OLED 용 전극에 대한 연구 중 단일 물질이 가지는 한계를 극복하기 위해 여러 재료들의 복합화를 기획하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

은 나노와이어와 IZO, 그리고 PEDOT:PSS 세 가지 물질을 동시에 사용하기 때문에 최적화 및 각 물질에 따른 특성을 비교하기 위해서 세 가지 종류의 단일 물질과 세 가지 종류의 두 가지 물질의 복합 재료 그리고 세 가지 물질을 동시에 사용한 복합재료 전극에 대해 순차적으로 분석을 진행하였다. 제작된 복합 전극의 각 종 외부 스트레스에 대한 특성 검증 및 각각 조건에 따른 표면, 광학적, 전기적 특성 등을 분석하였으며 최적화된 조건의 전극을 OLED에 적용하여 그 특성을 분석하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

여러 가지 물질을 쓰는 복합전극의 경우 원하는 특성을 얻기 위해 각 물질의 두께나 양의 최적화가 중요하다. 이를 위해 전산모사를 활용하고 이를 실험 데이터와 비교하는 과정에서 많은 데이터를 통한 검증 과정이 필요했다. 각 물질의 증착과정에서의 조건에 따라 매번 증착이 다르게 될 수 있으며 이를 매번 검증하기가 힘들기 때문에 최대한 일정하게 통일하려고 노력하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

여러 가지 재료의 복합화는 이전부터 연구되어 왔지만 복합화에 따른 물질들의 최적화 과정과 실제 소자에 적용하기 위한 여러 가지 특성 들을 구체적으로 분석하여 OLED 소자에 적용 시 ITO보다 우수한 특성을 얻을 수 있었다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

가능성을 보인 원천기술 연구로, 관련연구를 심화 지속하여 학계 및 산업계에 실질적인 기여가 되었으면 한다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

은 나노와이어는 지름, 길이에 따른 전기적, 광학적 성질이 매우 다양하며, 분산액, 기판에 따라 코팅 특성이 달라지게 된다. 화학적인 합성을 할 수 없는 연구실 특성 상 물질 일체를 공급받아야 특성을 살펴보아야 하는 난관이 있었는데, 이 때 국내 은 나노와이어 제조 업체에 근무하는 대학 동문으로 부터 여러 가지 분산액에 대해, 여러 밀도 조건에서 실험을 진행 할 수 있는 기회를 얻게 되었고, 결과적으로 다른 우수한 논문에 실린 은 나노와이어의 특성과 비슷한 조건을 얻어 실험을 진행 할 수 있었다.  

용 어 설 명

1. 투명전극(TCO; Transparent Conductive Electrode)
  ○ 높은 빛 투과도를 띠며 일정 수치 이상의 전도성을 갖는 물질. 주로 광학 소자에 사용되며, 대표적인 예로는 산화인듐전극(ITO; Indium Tin Oxide)이 있다.

2. 유기 발광 다이오드(OLED; Organic Light Emitting Diode)
  ○ 유기화합물을 사용해 자체 발광시키는 차세대 디스플레이용 소자. 유기물 박막에 음극과 양극을 통해 주입된 전자와 정공이 재결합하여 여기자(Exciton)를 형성하고, 형성된 여기자로부터 에너지에 의해 특정한 파장의 빛이 발생된다.

3. 나노와이어(Nanowire)
  ○ 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 대체로 10 nm 미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 nm 지름의 나노와이어를 포함해서 일컬으며, 길이 방향으로는 특별히 크기의 제한이 없다.

4. 면저항
  ○ 얇은 막의 저항값을 특정짓는 지표로서 사용된다. 흔히 박막의 단위 두께 당 비저항으로 표시한다.

5. 스핀코팅
   ○ 빠른 회전을 통한 원심력을 이용하여 얇은 박막을 기판에 균일하게 증착하는 방법.

6. 스퍼터링
   ○ 물질에 이온 충격을 가하면 그 물질을 구성하는 원자나 분자가 튀어나와 주위의 물체면에 부착되는 현상으로 이를 이용하여 물체면에 박막을 형성하는데 사용한다.

그 림 설 명

                

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.

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.