[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 고려대학교 전기전자공학과 김태근 교수팀이 초박막 투명전극의 전기전도도와 투과도를 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발하고 이를 통해 고효율 에너지 변환소자를 구현했다고 29일 밝혔다.

태양전지, 발광다이오드 같은 에너지 변환소자는 높은 전기전도도와 광 투과도 그리고 다양한 유/무기 반도체와의 일함수 매칭(work function)을 통해 높은 전류주입 특성을 갖는 투명전극을 필요로 한다.

일함수(work function)는 고체 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는 데 필요한 에너지이다.

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

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

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

이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 니켈, 은, 구리 등 금속(불순물)을 전계 유도 이온 주입 방식으로 투명전극 표면에 확산, 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있는 도핑방법을 개발했다.

연구과정을 보면 니켈, 은, 구리 등 전기화학적 활성 금속을 강한 전기장을 통해 투명 전극 표면에 확산시킴으로써 박막의 전기, 광 특성을 독립적으로 제어할 수 있도록 해 공정 후 열처리가 필요 없고 가성비가 높은 데다 선택적인 금속 도핑이 가능하도록 했다.

이렇게 제작된 초박막(30-50 nm) 투명전극은 365 nm 자외선 영역에서도 90% 이상의 높은 투과도를 보이며 낮은 면저항과 폭넓은 일함수 제어를 가능하게 했다.

이후 실제 이렇게 만들어진 초박막 투명전극을 유기발광다이오드, 자외선 발광다이오드, 유기태양전지의 양전극 또는 음전극으로 적용하자 구동전압이 낮아지거나 전력효율이 높아졌다.

이 연구결과에 의하면 150 나노미터 두께 상용 ITO 기반 소자 대비 에너지 변환효율이 각각 24%, 30%, 21%의 향상됐다.

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

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더(창의)연구사업 지원으로 수행됐고 나노기술 분야 국제학술지 나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)에 10월 16일 게재됐다.