(CNB=강우권 기자) 차세대 투명전극재료로 각광받고 있는 탄소나노튜브(CNT)와 은나노와이어를 분산제 없이 수용액에 분산시켜 한 번의 코팅으로 전기적 안정성이 매우 뛰어난 유연 투명전극을 제조할 수 있는 획기적 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국전기연구원(KERI원장 김호용 www.keri.re.kr)의 이건웅·한중탁 박사팀은 최근 자체 정부출연금사업과 미래부 글로벌프론티어 나노기반소프트일렉트로닉스 사업단(단장 조길원 교수) 참여를 통해 인듐주석산화물(ITO) 대체 투명전극 소재인 은나노와이어와 탄소나노튜브를 분산제 없이 하나의 용액(일액형)으로 제조하고 이를 단 한 번에 코팅함으로써 은나노와이어의 단점인 전기적 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다고 6일 밝혔다.

연구팀은 은나노와이어에 전압을 걸어 전류가 흐를 때 접점에서 핫스팟이 형성되어 끊어지는 단점을 탄소나노튜브와의 복합화를 통해 해결했다.

이를 통해 금속나노와이어를 각종 터치패널, 디스플레이, 에너지 소자 등의 안정적 유연 투명전극으로 사용될 수 있는 길을 열었다. 연구 결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 온라인 판 최근호에 게재됐다.

은나노와이어는 전기전도성이 매우 우수하고 지름이 작아 네트워크 구조의 투명전극으로 활용이 가능하다. 현재 사용되고 있는 ITO 전극을 대체할 재료중의 하나로 주목받고 있다.

그러나, 은나노와이어 사이의 계면에서의 저항으로 인한 전기적 안정성 저하로 신뢰성에 대한 문제가 제기되고 있다. 이를 해결하기 위해 물리화학적인 처리를 통해 접점을 접합시키는 연구가 진행되고 있다.

KERI 연구팀이 그 대안으로서 개발한 방법은 분산제의 사용없이 은나노와이어와 단일벽 탄소나노튜브를 혼합한 일액형 코팅액을 플라스틱 기판에 도포해 은나노와이어를 탄소나노튜브와 연결시켜주는 방법이다.

이를 통해 면저항 감소뿐만 아니라 은나노와이어 네트워크의 전기적인 안정성을 확기적으로 향상시킬 수 있다. 연구팀은 탄소나노튜브를 은나노와이어 수용액에 분산하기 위해 탄소나노튜브의 손상을 최소화하고 4개의 수소결합이 동시에 이루어질 수 있는 기능기를 도입했다.

탄소나노소재간 ‘반데르발스힘’(분자내 강한 인력)을 극복하게 함으로써 고농도의 전도성 페이스트 제조하고, 이를 은나노와이어 분산액에 첨가해 손쉽게 일액형 코팅액을 제조할 수 있게 됐다.

이 방법은 분산제를 사용하지 않고 일액형 코팅액을 제조하였기에 은나와이어와 탄소나노튜브가 균일하게 얽혀 있는 복합구조를 손쉽게 형성시킬 수 있는 장점을 지니고 있다.

또한 도입된 관능기에 의해 탄소나노튜브의 일함수가 은나노와이어와 비슷하게 작아져 은나노와이어에서 탄소나노튜브로의 전자이동이 손쉽게 이루어질 수 있어 은나노와이어 사이의 접점에서 발생할 수 있는 핫스팟에 의한 단절현상을 배제할 수 있었다.

그동안 은나노와이어와 탄소나노튜브를 하이브리드 하여 은나노와이어의 단점을 보완하고자 하는 노력은 지속적으로 이루어지고 있었지만 KERI 연구팀의 무분산제형 탄소나노튜브 분산기술을 접목한 탄소나노튜브와 금속나노소재의 복합화 기술은 안정성 있는 투명전극 제조의 공정단가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 생각된다.

주요 개발자인 한중탁 박사는 “이번에 개발된 은나노와이어의 전기적 불안정성을 탄소나노튜브를 통해 해결한 기술은 2013년 전기연구원이 세계최초로 개발한 무분산제형 탄소나노소재 분산기술을 기반으로 한번의 코팅에 의해 은나노와이어와 탄소나노튜브를 손쉽게 복합화함으로써 이루어진 기술이다" 며 "은나노와이어를 이용한 투명전극 등의 응용에 있어 지름이 작은 나노와이어 형태의 금속나노소재의 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 매우 유용한 기술로 각종 유연소자의 유연전극으로 활용이 가능하다"고 설명했다.

연구팀은 현재 본 기술에 대한 특허를 출원하고, 관련업체와의 협의를 통해 기술이전 및 사업화 방안에 대한 협의를 진행할 예정이다.

한편, 이번 연구결과는 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’ 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 온라인판 최근호(4월 25일)에 게재 됐다.(논문명: Electrically Robust Metal Nanowire Network Formation by In-situ Interconnection with Single-Walled Carbon Nanotubes).

*탄소나노튜브(carbon nanotube) : 탄소들이 벌집처럼 연결돼 다발형태를 이룬 것으로 지름이 1나노미터(10억분의 1m) 단위로 머리카락의 10만분의 1에 불과하다. 구리보다 전기를 1,000배나 잘 흘리고 강철보다 100배나 강해 다양한 전기전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.

*일액형(一液形) 코팅액(One-component Solution) : 이질적인 다양한 성분들을 하나로 통합하고 안정화를 이루어 그 사용과 응용을 편리하게 한 코팅 솔루션(액체).