용액 기반 공정을 이용하여 제작한 무정형 그물 구조의 기판 삽입형 니켈-구리 유연 투명전극의 특성

Abstract

국문요지 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide, ITO)은 높은 가시광 투과율과 낮은 면저항(sheet resistance) 등의 우수한 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 터치스크린, 태양전지, 스마트폰 등 다양한 전자소자의 투명전극(transparent conductive electrode, TCE) 소재로서 가장 널리 사용되어 왔다. 그러나, ITO는 깨지기 쉬운 특성, 높은 공정온도, 유연한(flexible) 기판과의 낮은 접합력, 인듐 가격의 불안정성 등의 문제가 있기 때문에, 차세대 유연한 전자기기에 응용하기에는 어려움이 있다. 따라서, 최근에는 ITO를 대체할 수 있는 유연성 있는 투명전극 소재로서, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 금속 그물망(metal mesh), 금속 선(metal nanowire), 전도성 고분자(conductive polymer) 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히, 이 중에서 금속 그물망 전극은 상용화 측면에서 가장 빠른 기술 개발이 기대되고 있으나, 장시간 공기 중에 노출되었을 때 금속의 산화에 따라 면저항이 증가하는 문제가 있으며, 가장 널리 채용되고 있는 격자형(gird-type) 그물망 구조에서 금속 격자 사이에 발생하는 빛의 간섭(interference)에 의한 소위 ‘모아레(moiré) 현상’이 나타나 시인성(visibility)이 양호하지 않으며, 금속막의 증착 시 대부분의 경우 스퍼터링(sputtering)과 같은 고가의 진공 장비를 이용하기 때문에 생산단가가 비교적 높은 단점이 존재한다. 본 연구에서는 기존의 금속 그물망 투명전극이 가지고 있는 금속 산화, 낮은 시인성, 고가의 진공 장비 사용 등의 문제점들을 동시에 해결할 수 있는 효과적인 제작 방법을 제시하였다. 우선, 그물망 금속 전극의 제작을 위하여 장치가 간단하고 생산단가가 저렴한 용액(solution) 기반의 공정을 채용하였다. 또한, 기존의 격자형 그물망에서 흔히 나타나는 모아레(moiré) 현상의 방지를 위하여 아크릴 레진(acrylic resin)의 스핀 코팅(spin coating) 및 고형화(solidification)에 의해 만들어지는 균열(crack)을 이용한 무정형 그물망(random mesh) 구조를 형성하였다. 끝으로, 용액 공정을 이용하여 ITO가 증착된 유리 기판위에 구리(Cu) 전극을 증착하고 그 위에 구리의 산화를 방지할 목적으로 니켈(Ni) 박막을 증착하였으며, 이를 유연한 기판(flexible substrate)에 전이(transfer)하여 기판 삽입형(embedded-type) 투명전극을 제작하였다. 본 연구에서 제작된 무정형 그물망 전극은 최대 약 92.7%의 가시광 투과율과 최소 약 0.48Ω/□의 전기적 면저항을 나타냈다. 또한, 전극의 산화에 대한 안정성 평가 결과, 기판 삽입 및 니켈 증착효과에 의해 장시간(최대 7일)의 항온-항습(85oC-85%) 조건하에서 전극의 면저항 변화가 현저히 줄어들었음을 확인하였다. 또한, 최대 10,000회까지 반복된 굽힘(bending) 동작에 따른 전극의 면저항 변화를 측정한 결과, 평균 그물망 선폭(mesh width)이 상대적으로 작은 전극일수록 면저항의 변화가 더 작게 나타났으며, 이를 유한요소해석(finite element modeling analysis, FEA)을 통해 굽힘 시 전극에 가해지는 스트레스(stress)의 분포와 안전계수(safety factor) 등을 산출하여 검증하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 기존의 격자형 구리 그물망 전극에서 나타났던 문제점들을 해결하고, 이와 동시에 우수한 전기적, 광학적 특성 및 높은 시인성과 신뢰성을 보유하는 유연 금속 그물망 투명전극을 구현할 수 있는 효과적인 제작 방법과 체계적인 실험 결과를 제시하였다고 사료된다.