★ 2021년 11월 5일(금) 조간 (온라인 11. 4.(목) 낮 12:00 이후) 보도해 주시기 바랍니다.

개방‧공유‧소통‧협력의 정부3.0, 국민과 함께 만들어 나가겠습니다.

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보도자료 청렴한 연구지원 신뢰받는 NRF
	<홍보실> 실장 박길수, 이은지 연구위원 ☎ 042-869-6116
<자료문의> 고려대학교 전기전자공학과 김태근 교수(02-3290-3255)
더 날씬해진 전극, 더 투명해진다 전극 두께 줄여 투과도 높이면서 금속도핑으로 전기전도도 저하 막아

□ 얇을수록 투명해지는 대신 전기전도도는 낮아지는 투명전극. 그 가운데 상용 투명전극 보다 3배 얇지만 전기전도도는 높은 초박막 투명전극 제조기술이 소개됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김태근 교수(고려대학교) 연구팀이 초박막 투명전극의 전기전도도와 투과도를 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하고 이를 통해 고효율 에너지 변환소자를 구현했다고 밝혔다.

※ 도핑(doping) : 반도체 또는 금속 산화물 등의 박막에 불순물을 첨가함으로써 전기적, 물리적인 특성을 조절하는 공정.

○ 첨단 광‧에너지 소자의 효율을 결정하는 핵심부품인 투명전극을  50 나노미터 이하 두께로 만들면서 전기적, 광학적 성능은 동시에 높일 수 있는 표면처리 기술이다.

□ 유기발광다이오드나 태양전지 소자들이 소형화되고 유연성을 요구하기 때문에 전극 또한 투과도와 전기전도도를 유지하면서 더욱 얇아져야 한다.

○ 하지만 전극은 두께가 감소하면 투명도는 향상되지만 면저항은 반대로 증가하는 모순된(trade-off) 관계를 보인다. 따라서 기존 광 변환 소자들은 투명도의 손실을 보더라도 150 나노미터 이상의 두꺼운 투명전극을 사용한다.

□ 이에 연구팀은 니켈, 은, 구리 등 금속(불순물)을 전계 유도 이온 주입 방식으로 투명전극 표면에 확산, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하였다.

※ 전계유도 이온주입 : 전압인가를 통해 원하는 금속 원자나 이온을 투명전극의 표면에 주입, 확산시켜 전극의 물리적, 화학적, 전기적 특성을 변경시키는 도핑 방법.

○ 금속 이온을 전극 표면에 국부적으로 도핑함으로써 박막의 높은 투과도는 유지하면서 면저항을 감소시켜 50 나노미터 이하의  초박막 산화물 투명전극을 제조해냈다.

□ 실제 이렇게 만들어진 초박막 투명전극을 유기발광다이오드, 자외선 발광다이오드, 유기태양전지의 양전극 또는 음전극으로 적용하자 구동전압이 낮아지거나 전력효율이 높아지는 등 소자효율이 향상되었다.

○ 150 나노미터 두께 상용 ITO 기반 소자 대비 에너지 변환효율이 각각 24%, 30%, 21%의 향상되었다는 설명이다.

□ 김태근 교수는 “전기전도도와 투과도 두 가지 특성을 독립적으로 제어해 각각의 성능을 동시에 최적화한 것”이라면서 “특히 공정이 단순하고 열처리가 필요 없는데다 원하는 위치에 선택적 도핑이 가능하다는 것이 장점”이라고 설명했다.

□ 저비용‧고효율 광전변환 소자 개발의 동력이 될 이번 연구의 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행되었고 나노기술 분야 국제학술지‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 2021년 10월 16일 게재되었다.

주요내용 설명

논문명	효율적인 에너지 변환 장치를 위한 금속 도핑된 초박막 전도성 산화물 투명 전극
저널명	Nano-Mirco Letters
키워드	Tansparent conductive oxide (투명전극), Metal implantation(금속 도핑), High transparency(높은 투과성), Low sheet resistance(낮은 면저항), Work function (일함수)
DOI	http://doi.org/10.1007/s40820-021-00735-y
저 자	김태근 교수(교신저자/고려대학교), 강대윤 박사(제1저자/고려대학교), 김보현 박사 (제1저자/공주대학교), 이태호 박사(공저자/고려대학교), 심재원 교수(공저자/고려대학교), 김성민(공저자/김성민), 성하준 박사(공저자/KAIST), 장기주 교수(공저자/KAIST)

<작성 : 고려대학교 김태근 교수>

1. 연구의 필요성

○ 태양전지, 발광다이오드 같은 에너지 변환소자는 높은 전기전도도와 광 투과도 그리고 다양한 유/무기 반도체와의 일함수 매칭을 통해 높은 전류주입 특성을 갖는 투명전극을 필요로 한다.

※ 일함수(work function) : 고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 에너지

○ 널리 사용되는 금속 산화물(ITO, AZO, FTO) 기반의 투명전극은 가시광 대역에서 높은 투과도와 전기전도도를 가지나, 인듐 같은 원자재의 가격상승, 자외선 영역의 높은 광 흡수, 박막의 유연성(flexibility) 부족 등의 단점으로 웨어러블 기기 적용 등에 제약을 받고 있다.

○ 문제해결을 위한 방법의 하나로, 두께 50nm 이하의 초박막 산화물 투명전극을 사용할 수 있는데, 물리적으로 박막의 두께가 얇아지면 광학적 투과도는 증가하지만 전기전도도는 크게 떨어진다.

○ 또한 대부분의 금속 산화물은 일함수 값이 음전극에 적합한 상태여서 양전극이 필요한 에너지 변환소자에는 사용하기 어렵다.

○ 따라서 근본적 해결을 위해서는, 박막의 전기적인 특성과 광학적 특성을 독립적으로 제어하면서, 일함수의 조절 범위를 크게 높일 수 있는 새로운 불순물 도핑 방법 및 이를 이용한 초박막 투명전극 개발이 요구된다.

2. 연구내용

○ 본 연구팀은 신개념의 전기장 유도 도핑(electric-field-driven metal implantation(EMi)) 방법을 개발함으로써, 투과도 손실 없이 면저항을 낮추면서 도핑 금속에 따라 표면 일함수를 약 1 eV 까지 조절할 수 있는 초박막 산화물 투명전극을 개발하였다.

○ 전기화학적 활성 금속(예: 니켈, 은, 구리)을 강한 전기장을 통해 투명 전극 표면에 확산시킴으로써, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있도록 했다. 공정이 단순하고 가성비가 높은 데다 선택적인 금속 도핑이 가능하고 공정 후 열처리가 필요 없다.

○ 또한 이렇게 제작된 초박막(30-50 nm) 투명전극은 가시광은 물론 365 nm 자외선 영역에서도 90% 이상의 높은 투과도를 보이며, 낮은 면저항(~30Ω/□)과 폭넓은 일함수 제어(0.97 eV)를 가능하게 하였다.

○ 개발된 초박막 산화물 투명전극은 소자가 요구하는 일함수 매칭을 통하여 유기발광소자(OLED), 자외선 LED, 유기태양전지의 양전극 또는 음전극으로 적용되어 각각 소자의 성능 및 효율을 크게 향상 시켰다.

3. 기대효과

○ 개발된 도핑 기술을 이용하면 기존 산화물 투명전극 기술로는 구현하기 어려운 50nm 이하 두께의 초박막 전극을 제조할 수 있고 도핑 금속의 상태에 따라 표면 일함수의 폭넓은 조절도 가능하다.

○ 이는 미래 다양한 에너지 변환 소자가 요구하는 초박막 유연, 다기능 투명전극 제조를 용이하게 하고, 기존 상용소재를 이용하는 방식으로 신소재 개발을 위한 비용을 절감할 수 있다.

○ 기존 투명전극의 전기적, 광학적 특성 사이 모순 (trade-off)에 대한 근본적 해결방법을 제공하며, 다양한 유, 무기 재료와의 오믹(ohmic) 컨택이 가능하므로 유관 산업으로의 확장성 및 파급효과가 클 것으로 기대된다.

그림 설명

(그림1) 전기장 유도 금속 도핑을 이용한 초박막 투명전극 제작 및 특성 분석

(a) 유리 기판 위에 인듐주석산화물(ITO), 질화알루미늄(AlN), 니켈(Ni) 구조를 형성하고 전압을 인가하면 니켈이 인듐주석산화물 표면에 확산 및 도핑된다. 이후 특수 용액처리를 통해 질화알루미늄을 식각하여 초박막 투명전극을 완성한다.

(b~f) 투명전극 표면에 다양한 결합상태로 존재하는 니켈이 약 3%의 농도로 고르게 분포된 것을 확인하였다.

그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 김태근 교수

(그림2) 제작된 초박막 투명전극의 다이오드 및 태양전지소자에의 적용 결과

(왼쪽) 유기발광다이오드(OLED)의 경우 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 구동전압은 약 4.9 V로 약 15% 감소하였고 6 V에서의 전류 밀도 또한 레퍼런스에 비해 약 120% 높게 나타났다.

(가운데) 자외선발광다이오드(UV-LED)의 경우 20mA에서 전방 전압(Forward voltage)이 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 5.5 V에서 5.0 V 및 4.85 V로 감소하였고 약 30%의 출력 전력 증가를 보인다.

(오른쪽) 유기태양전지(OPV)의 경우 150나노미터 인듐주석산화물 대신 제작된 초박막 투명전극을 적용하자 전력효율이 11.4%에서 13.8%로 향상되었다.

그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 김태근 교수

연구 이야기

<작성 : 고려대학교 김태근 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존의 투명전극은 전기적 특성과 광학적 특성간의 모순된(trade-off) 관계로 인해 상호간에 적절히 타협하는 수준에서 최적화가 진행되었습니다. 이러한 한계점에 주목하여 전기적/광학적 특성을 동시에 향상시키면서 다양한 금속 도핑을 통해 일함수를 조절함으로써 n타입에 국한된 투명전극의 이용범위를 확대하여 다양한 에너지 변환 소자에 적용하여 고효율의 특성 결과를 얻고자 연구를 시작하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

전계 유도를 통해 금속 원자 또는 이온을 금속 산화물 같은 박막의 표면으로 주입할 수 있고, 이를 통해 박막 표면의 일함수를 자유롭게 조절할 수 있다는 가설을 세우고 타당성을 검증하고자 했습니다. 사용되는 금속의 종류에 따라 주입 또는 분산되는 메커니즘이 달라질 수 있는데, 니켈(Ni), 은(Ag), 구리(Cu) 같은 금속은 이온화되어 다른 물질로 확산하려는 성향이 강한 물질입니다. 이러한 특징을 이용하여 금속 이온을 희생층을 통해 필라멘트 형태로 주입하면 하부전극인 투명전극의 표면에도 자연스럽게 금속 이온들이 도핑된다는 점을 이용하였습니다.

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

이러한 방식으로 원하는 박막의 표면에 금속을 주입하는 것은 간단하지만 실제 소자에 적용하기 위한 전극의 특성을 얻기 위해서는 일정 농도의 금속을 균일하게 표면에 도핑하는 것이 필요했고 재료 증착조건, 두께, 후처리 같은 전체적인 공정 프로세스를 최적화하여 문제를 해결하였습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

박막 형태의 투명전극의 전기적 특성과 광학적 특성간 trade-off 문제를 근본적인 해결할 수 있는 방법을 제시하고, 기존 기술로는 구현하기 어려웠던 50nm 이하 두께의 초박막 산화물 투명 전극 개발에 성공하였으며, 선택적인 금속 도핑을 통해서 투명전극의 표면 일함수를 폭넓게 조절함으로써 쉽게 고효율, 저비용의 에너지 변환소자 개발이 가능함을 제시하였습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

다양한 유/무기 재료와의 오믹(Ohmic) 접촉이 가능하다는 점을 토대로 에너지 변환 소자 뿐만 아니라 투명전극이 적용되는 다양한 소자 개발에 확장 가능성이 있으며, 현재 단일 소자에 국한 되어 적용한 투명전극 기술을 대면적에 적용하기 위한 최적화가 과제로 남아 있습니다.

연구자 소개

<김태근, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 전기전자공학과

○ 전 화 : 02-3290-3255

2. 학력

○ 1997	고려대학교 박사 (전기전자공학)

3. 경력사항

○ 1997 ~ 1998	미국 캘리포니아대학교 박사후연구원

○ 1998 ~ 2001	일본 Electrotechnical Laboratory, NEDO Fellow

○ 2001 ~ 2002	삼성 종합기술원, 연구원

○ 2002 ~ 2004	광운대학교, 반도체 및 신소재공학과, 조교수

○ 2004 ~ 현재	고려대학교, 전기전자공학과, 교수

○ 2002 ~ 2004	삼성전기, 삼성종합기술원, 자문 교수

○ 2007 ~ 2008	Ames Laboratory, 방문 교수

○ 2012 ~ 현재	고려대학교, 반도체기술연구소, 소장

○ 2016 ~ 현재	한국연구재단 리더(창의)연구단장

4. 전문분야 정보

○ 전기전자공학

- 반도체 재료 및 소자, 비휘발성 메모리, 디스플레이 및 에너지 변환 소자

5. 연구지원 정보

○ 2016 ~ 현재 : 과학기술정보통신부 ·한국연구재단 리더연구사업

(유리투명전극 기반 고효율 광전소자 연구)

<강대윤, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 고려대학교 전기전자공학과

○ 전 화 : 02-3290-3664

2. 학력

○ 2021	고려대학교 박사 (전기전자공학)

3. 경력사항

○ 2012 ~ 현재	고려대학교, 전기전자공학과, 연구교수

4. 전문분야 정보

○ 전기전자공학(반도체 재료 및 소자, 비휘발성 메모리 및 에너지 변환 소자)

<김보현, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 공주대학교 신소재공학과

○ 전 화 : 041-521-9559

2. 학력

○ 2005년 고려대학교 박사 (물리학과)

3. 경력사항

○ 2019 ~현재 공주대학교 연구교수

○ 2019 고려대학교 연구교수

○ 2018 생산기술연구원 전문연구원

○ 2016 ~ 2017 대구경북과학기술원 초빙교수

○ 2011 ~ 2015 카이스트 연구교수

○ 2009 ~ 2011 미국 네브라스카 주립대 연구원

○ 2007 ~ 2009 미국 메릴랜드 주립대 연구원

4. 전문분야 정보

○ 응집물질물리

- 공액고분자 및 저차원 소재의 전기/광학적 특성

- 유기 인/형광 분자 및 유기반도체 발광소자