서울대 공대는 재료공학부 이태우 교수와 미국 Drexel 대학의 Yury Gogotsi 교수 공동 연구팀이 2차원 맥신(MXene) 소재를 투명 전극으로 적용한 최초의 고효율 발광 소자를 개발했다고 밝혔다.

각종 IT기기에서 투명 전극은 소자에 전원을 공급하는 동시에 빛의 통로가 되기 때문에 높은 전기 전도성과 높은 투과도를 가져야한다. 발광 소자에 적용되는 투명 전극은 정공을 주입하는 역할을 하기 때문에 높은 일함수 특성도 요구된다. 유연 전자 소자를 활용하는 응용 분야가 늘어남에 따라 플렉시블 투명 전극에 대한 요구가 증가하고 있다.

가장 보편적으로 사용되는 투명 전극은 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide)으로 전기 전도도가 높고 투명하지만 휘거나 굽혔을 때 쉽게 깨지는 단점이 있어, 이를 대체하는 소재 개발 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그래핀, 전도성 고분자 그리고 금속 나노와이어 등이 연구되고 있으나, 낮은 전기 전도도와 낮은 일함수 그리고 복잡한 박막 제조 공정으로 상용화에 어려움이 있어 새로운 소재 개발을 통한 돌파구가 필요한 상황인 것이다.

맥신은 2011년 Gogotsi 교수 연구팀에서 개발한 평판 구조의 새로운 나노 재료로, 금속 탄화물/질화물 2차원 결정 물질이다. 전기 전도성이 우수하고 용액 공정으로 박막을 쉽게 형성할 수 있어 다양한 전자소자 분야 특히, 전기 화학적 에너지 전환 또는 저장 장치 그리고 센서 등의 분야에서 적극적으로 연구되고 있다.

 
▲ 맥신 박막의 형성(위), 기존 ITO전극 및 맥신 전극을 적용한 발광 소자의 효율과
맥신 투명 전극을 적용한 유연 발광 소자 이미지(아래)

전기 전도성이 높고 친수성 표면을 갖는 맥신이 유연 발광 소자의 이상적인 투명 전극이 될 수 있다고 판단한 이 교수팀은 Yury Gogotsi 교수팀과의 공동 연구를 통해 높은 전도도와 높은 일함수를 갖는 투명 전극을 개발하였다. 연구팀은 맥신 박막을 용액 공정으로 형성한 후 저온 진공 처리를 하여 맥신 표면에 존재하는 작용기의 비율을 조절했으며 이를 통해 맥신의 일함수를 향상시켰음을 밝힌 것이다.

맥신의 높은 일함수는 기존의 투명 전극 보다 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 했다. 뿐만 아니라, 맥신이 상부에 적용되는 기존 정공주입층에 의해 박리되거나 산화될 수 있음을 발견하여, 산도가 낮고 빠르게 기화되는 새로운 정공주입층을 개발하여 적용했다.

본 연구에서는 표면 및 계면 개질을 통해 형성된 맥신 투명 전극을 사용하여 해당구조에서 이론적으로 계산된 최고치의 효율을 달성한 것이다. 기존의 투명 전극을 사용한 유기발광다이오드의 효율과 견주어도 뒤지지 않는 수준의 높은 발광 효율 (102 cd/A)을 달성하였다. 나아가, 맥신 투명 전극을 적용하여 높은 굽힘 횟수에도 안정적으로 작동하는 유연 발광 소자를 구현했다.

이태우 교수는 “맥신의 표면 및 계면 개질을 통해 우수한 전기적, 전자적 특성을 갖는 투명 전극을 적용한 최초의 고효율 발광 소자와 유연 발광 소자를 개발했다”며 “본 연구가 맥신의 다양한 광전자 소자로의 응용에 가이드라인이 될 뿐만 아니라 유연 인쇄전자소자 상용화에 기여할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

한편 본 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적으로 저명한 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)’에 4월 30일자 온라인 게재되었다.

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