▲ 공과대학 전기전자전파공학부 김태근 교수(좌), 김희동 박사과정 연구원(우).

김태근 교수 연구팀, 유리 등 부도체에 전류 흐르는 기술 개발
조명 및 디스플레이 광원에 쓰이는 투명전극의 효율 향상 기대

국내 연구진이 유리 같은 부도체에 전도성 채널을 만들어 전류를 흐르게 하는 기술을 개발했다. 가시광 영역부터 심자외선 영역까지 95% 이상의 투과도를 가지는 유리 같은 부도체에 효과적으로 전류를 주입하게 될 경우 다양한 디스플레이에 쓰이는 투명전극의 소재로 활용할 수 있어 주목받고 있다.
* 가시광 : 사람 눈에 보이는 전자기파 영역(파장: 400-700 nm)
* 심자외선 : 가시광보다 파장이 짧은 파장대역(190-400nm)의 전자파로 상대적으로 파장이 긴 빛을 근자외선, 짧은 빛을 심자외선으로 구분한다. 

공과대학 전기전자공학부 김태근 교수가 주도하고 김희동 박사과정 연구원(제 1저자) 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Material)지 11월 11일자 온라인판에 게재됐다. ( 논문명 : A Universal Method of Producing Transparent Electrodes Using Wide-Bandgap Materials)

유리 같은 물질은 가시광선 뿐만 아니라 자외선에 대해서도 높은 투과특성을 보이는 장점에도 불구하고 전류가 흐르지 않고 반도체 물질과 접촉 시 전류주입이 어려워 전극물질로 고려되지 않았다.

연구팀은 전류가 흐르지 않는 유리(SiO2) 같은 산화물 내부에 전도성 채널을 만드는 방식으로 투과도가 높은 유리의 장점을 유지하면서 전류가 통할 수 있도록 하는 투명전극 기술을 개발했다. 투과도가 뛰어나지만 부도체인 유리의 한계를 극복한 것이다. 

투명전극 소재로 쓰이던 기존 ITO* 전극보다 높은 투과도를 가지면서도 전도성이 낮아 전극물질로 쓰이지 못했던 유리 같은 물질도 투명전극 소재로 활용할 수 있게 될 전망이다. 

향후 유리 투명전극이 개발되면 가시광 LED, OLED, 태양전지, LCD 패널 등 고체조명 및 디스플레이 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 
* ITO : 가시광 영역에서 널리 사용되는 산화주석(tin oxide)에 인듐(Indium)을 첨가한 투명재료. 가시광 영역에서 90% 이상의 투과도와 높은 전도특성을 가져 각종 디스플레이나 태양전지 등에 쓰이는 광전소자의 투명전극 소재로 쓰임

특히 개발된 유리 투명전극은 가시광 영역뿐만 아니라 자외선 영역에서도 95% 이상의 높은 투과특성을 보였다. 

자외선 영역에서 투과도가 떨어지는 ITO 전극의 한계를 극복해 위폐감별, 살균, 수질정화 등에 쓰일 수 있는 자외선 LED 및 센서와 같은 자외선 영역의 신규시장 개척에도 기여할 것으로 기대된다.

핵심은 유리 내부의 산소 또는 질소 결함(vacancy)을 제어해 전류가 흐를 수 있는 채널을 만든 데 있다. 

전압차를 이용해 투명전극의 주성분인 유리산화물 내부의 금속원소와 산소 또는 질소간의 결합이 끊어지면서 금속원소 주변으로 생겨나는 채널을 통해 전하가 이동할 수 있게 된 것이다. 

김 교수는“유리의 주성분인 석영(SiO2)과 같이 매장량이 풍부하면서도 전기화학적으로 안정한 물질을 이용해서 가시영역을 넘어 자외선 영역에서까지 활용할 수 있는 투명전극 기술을 개발했다는 데 의의가 있다”고 밝혔다.

< 용 어 설 명 >

1. 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)
o Wiley에서 출판하는 재료과학 분야 국제학술지(피인용지수 : 10.342, 2012년 기준)

2. 투명전극(transparent electrode)
o 광투과성(85% 이상)과 도전성(비저항 < 1 x 10-3 ohm?cm)이 있는 전극
o 산화주석이나 산화인듐 등이 쓰이며 주로 디스플레이용 광전소자에 활용된다.

3. 인듐주석산화물전극(ITO 전극, Indium Tin Oxide)
o 가시광 영역에서 투과도와 전기전도성이 높아 투명전극으로 널리 활용
o 자외선 영역에서 광흡수가 커 투명전극으로 사용하기 어렵고, ITO의 주원료인 인듐의 고갈 우려와 매장량의 대부분을 중국이 독점하고 있다는 점이 단점

4. p-GaN(또는 p-AlGaN) 층
o p형 질화물 반도체로써, p-GaN, p-AlGaN은 각각 가시광 LED, UV-LED의 p형 반도체 층으로 널리 사용 됨

5. 밴드갭(band gap)
o 반도체와 절연체에서, 가전자대와 전도대 간에 있는 전자상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차. 밴드 갭의 크기로 그 물질의 전기 전도성 정도가 결정되며 클수록 절연체에 가까움

6. 전도성 필라멘트
o 외부에서의 전기장 인가를 통해 금속-산화물(또는 질화물) 내부에 형성된 산소 또는 질소 결함 고리에 의한 전도성 채널

7. 오믹접촉(ohmic contact)
o 금속이나 반도체 등 서로 다른 물질 사이에 전류를 흐르게 하는 방법의 하나
o 금속과 반도체 사이의 일함수 차이에 의한 정류작용이 없고 인가전압에 대한 전류치가 선형적으로 변해 옴의 법칙 (Ohm’s law)에 따르는 접촉방법

8. 전기적 포밍(electrical forming)
o 절연체에 가하는 전압을 차츰 증가시키면 일정 값 이상의 전압에서 갑자기 도전성이 증가하는 현상

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)