고려대, 차세대 유연 광전자 장치에 적용할 수 있는  다기능 메시 투명 전극 개발

▲  (왼쪽부터) 김태근 교수 (교신저자, 고려대), Kiran A. Nirmal (제 1저자, 고려대)

고려대학교(총장 김동원) 전기전자공학부 김태근 교수 연구팀이 차세대 유연한 광전자 소자(OSC, OLED) 및 뉴로모픽 메모리 장치에 적용할 수 있는 다기능 메시(Mesh) 투명 전극을 개발했다.

본 연구는 9월 26일 나노기술 분야의 국제 저명 학술지 ‘Nano-Micro Letters’ (IF 31.6, JCR 상위 1.7%)’에 온라인 게재됐다. 

* 논문명: Ultra-Transparent and Multifunctional IZVO Mesh Electrodes for Next-Generation Flexible Optoelectronics

* 논문 URL: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01525-y

투명 전극은 디스플레이, 헬스케어, 소프트 로봇공학, 에너지 등 다양한 분야에서 장치의 안전성을 오래 유지하는 기술이 필수적이다. 대표적으로 유연 전극인 금속 나노 네트워크는 높은 전기 전도성과 우수한 강도의 장점이 있지만, 균일성, 제조 공정의 복잡성, 재료 특성에 의한 환경 의존성 등의 문제점을 갖고 있다. 

이를 해결하기 위해 연구팀은 자체 균열 템플릿을 활용했다. 이 템플릿으로 높은 투과도(97.39%), 낮은 면저항(21.24Ω/sq), 5.16eV의 높은 일함수를 갖는 IZVO 기반의 고성능, 다기능 투명 전극을 개발했다. 이렇게 개발된 투명 전극은 2000번의 굽힘 테스트에서도 높은 투과율과 안정적인 특성을 유지하며 전극의 우수한 내구성을 입증했다.

* 자체 균열 템플릿(self-cracking templates): 메시 형태의 투명 전극을 제조하는 과정에서 표면에 미세 균열을 유도하여 금속 또는 금속 산화물 메시 구조를 형성하기 위해 사용되는 기판으로, 투명 전극의 기계적 유연성과 광학적 투과율을 높임.

* IZVO: 바나듐이 도핑된 인듐 아연 산화물 (Vanadium-doped Indium Zinc Oxide)

김태근 교수 연구팀은 개발한 전극의 광전자 장치 적용 가능성을 검증하기 위해, 유기 광전지(OSC), 유기 발광 다이오드(OLED), 그리고 뉴로모픽 컴퓨팅용 유연 투명 멤리스터 장치에 이를 적용했다. 세 가지 응용 분야에서 모두 뛰어난 성능을 확인했다. 특히 유연 투명 멤리스터는 높은 신뢰성과 재현성을 갖춘 우수한 비휘발성 메모리 성능을 보여주며, 기본 및 고급 시냅스 학습 동작을 성공적으로 모방했다.

* 유기 태양전지(Organic Solar Cell, OSC): 전자 공여체와 전자 수용체를 혼합하여 빛을 흡수한 후, 전자와 정공을 분리해 전하 이동을 촉진함으로써 전력을 생성하는 유기 기반 태양전지. 주로 이중 층 구조 또는 벌크 헤테로접합(BHJ) 구조가 사용되며, 이 방식은 빛의 흡수와 전하 이동 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다.

* 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED): 유기 물질을 기반으로 한 전자 소자로, 전류가 흐르면 유기층에서 빛을 방출하는 장치. 

본 연구에서 개발된 IZVO 메시 투명 전극은 기존에 깨지기 쉬운 금속 산화물 (ITO) 전극을 대체할 수 있는 대안으로, 높은 전기 전도성, 광학적 투명성, 그리고 향상된 기계적 유연성을 제공한다. 이 결과는 차세대 유연 광전자 장치 개발의 가속화에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원을 받아 수행됐다. 

[첨부 1] 

[그림 1] 설명

mIZVO 제조 과정 및 mIZVO 전극과 비교 전극과의 성능 비교.

[그림 2] 설명

IZVO 메쉬 전극을 사용하여 제작된 OSC, OLED 및 뉴로모픽 메모리 소자의 소자 특성.