고성능 저비용 투명복합전극 개발

[산업일보]
국내 연구진이 용액공정만을 이용해 고성능 투명전극을 제작하고 이를 태양전지에 적용하는데 성공했다. 대기 중에서 제작, 투명전극 제작비용을 크게 낮춰 투명전극이 사용되는 태양전지나 디스플레이 패널 등 관련기기의 경제적 생산에 기여할 것으로 기대된다.

연세대학교 신소재공학과 문주호 교수와 김아름 박사과정 연구원(제1저자)이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행됐고, 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈지(Advanced Functional Materials)에 게재됐다.

기존 ITO 투명전극은 매장량에 한계가 있는 고가의 인듐을 이용하고, 고진공 설비가 필요해 생산단가가 높다는 한계가 있었다.

이를 대기 중에서 제작 가능한 용액공정으로 대체하면 값비싼 고진공 장비가 필요 없고, 롤-투-롤 방식 등을 적용한 대량생산도 가능해 큰 비용절감 효과를 기대할 수 있다.

연구팀은 안정성과 투과성이 뛰어난 산화아연 박막 사이에 은 나노와이어 필름을 삽입한 고투과성 및 고전도성의 투명 복합전극을 용액공정만 이용해 만들었다.

이렇게 만들어진 투명전극을 박막 태양전지에 적용한 결과, 기존 진공증착 방식으로 만든 ITO 전극과 동등한 효율을 발현하는 것으로 나타났다.

전도성이 뛰어난 은 나노와이어 필름은 용액공정이 가능해 차세대 투명전극 물질로 주목받고 있지만, 물리적 마찰이나 열에 약하고 대기 중에서 산화되면 전도성이 떨어지는 한계가 있었다.

따라서 우수한 전도성과 투과율은 유지하면서 은 나노와이어 필름의 안정성을 향상시키는 것이 관건이었다.

이에 연구팀은 산화아연과 은 나노와이어를 복합함으로서 기존의 한계를 극복해 냈다. 기계적·열적 안정성이 뛰어난 산화아연 박막이 은 나노와이어를 위아래로 감싸도록 해 안정성을 높이는 한편, 은 나노와이어는 산화아연의 낮은 전도성을 보완한 것이다.

한편 산화아연 박막은 은 나노와이어 사이를 메워 필름표면을 매끄럽게 해주고, 은 나노와이어가 없는 빈 공간에서의 전자이동을 도와주는 역할도 수행한다는 설명이다.

문 교수는 “용액공정으로 제작한 투명복합전극은 고가의 인듐을 사용하지 않고 진공공정이 필요 없어 비용절감 효과를 얻을 수 있어 고성능과 저비용의 두 마리 토끼를 잡는 차세대 투명전극 소재로 유용할 것”이라고 밝혔다.