한국연구재단(이사장 조무제)은 고려대 주병권 교수와 박영욱 연구교수연구팀이 은 나노와이어, 아연 산화물(IZO)¹⁾, 전도성 고분자(PEDOT:PSS)²⁾를 층층이 쌓아올려 결합한, 발광 효율과 소자 유연성이 대폭 향상된 투명 유연 디스플레이용 전극을 개발했다고 밝혔다.

디스플레이와 각종 광전자소자의 전극용 물질로는 전도도와 투명도가 우수한 주석 산화물(ITO)³⁾을 많이 사용했다. 그러나 주석은 가격이 비싸고 고온 공정에서 제작해야 하며 잘 깨지므로 유연 소자에는 활용이 어려웠다. 

1) IZO(Indium Zinc Oxide): 산화 인듐과 산화 아연의 화합물
2) 전도성 고분자: 분자량이 큰 분자로 이루어진 물질 (고분자 물질) 중 전류가 비교적 잘 통하는 것. 휘어지고 가벼운 특징 때문에 최근 LED, 태양전지, 각종 디스플레이 등으로 개발되고 있다.
3) ITO(Indium Tin Oxide): 산화 인듐과 산화 주석의 화합물. 투명 전극으로 널리 사용됨

은 나노와이어⁴⁾는 ITO의 대체물질로서 전도도와 투명도가 우수하며 가격이 저렴하다. 그러나 표면이 거칠고 쉽게 산화가 되는 등 외부 스트레스에 취약하다. IZO는 투명 전도성 산화물로서 저온공정이 가능하나 ITO에 비해 전도도가 다소 떨어진다. 

PEDOT:PSS는 전도성 고분자로서 OLED에 자주 쓰이며 정공⁵⁾을 많이 주입시켜 전자와 정공의 균형을 좋게 하는 훌륭한 재료이다. 그러나 면저항⁶⁾ 값이 높아 응용분야의 단일전극으로 활용하기에는 한계가 있다. 

4) 은 나노와이어 : 은으로 만들어진 와이어 구조체. 나노미터 단위의 직경과 마이크로 단위의 길이의 높은 종횡비를 가진다.
5) 정공 : 전자의 반대 개념으로서 전자의 흐름을 반대로 생각한 것. 전자가 발견되기 이전에 양전하가 전류의 흐름으로 생각하였으나, 전자의 발견으로 개념상의 양전하로 정의
6) 면저항 : 물질의 표면 저항. 면을 따라 흐르는 전류에 대한 저항. 높을수록 전류의 흐름을 방해한다.

이에 연구팀은 각 단일 재료의 문제점을 극복하기 위하여 은 나노 와이어, IZO, PEDOT:PSS 복합 구조의 투명 유연 전극을 개발했다.

연구팀은 은 나노와이어 박막층 위에 IZO 층을 입혔다. 이로 인해 별도의 고온 후처리 없이도 은 나노와이어 간의 연결을 보완했으며 산화 등의 외부  스트레스로부터 보호됐다.

그리고 IZO 층 위에 PEDOT:PSS 코팅을 하였다. 이로 인해 박막의 거칠기가 개선되고 복합 물질 사이의 완충 역할로 인해 더 유연해졌으며 소자 효율이 높아졌다.

이렇게 개발한 복합 유연 투명전극을 OLED에 적용했을 때, 외부양자효율(EQE)이 ITO 전극에 비해 최대 23% 증가했다. 외부양자효율은 결합된 전자가 빛으로 방출되는 비율로서, 이 값이 높으면 적은 전력으로 소자 구동이 가능하다.

주병권 교수는 “은 나노와이어의 한계를 극복하고자 다른 재료와 복합하는 방식은, 더욱 진보한 전극 기술로 활용될 것”이라며 “이는 매장량이 부족하고 원가가 비싼 ITO전극을 대체할 수 있는 가능성을 제시했다”고 연구의 의의를 밝혔다.