DGIST 대구경북과학기술원

- 강력한 섬광을 이용한 고품질 구리-그래핀 나노선의 저원가 생산 기술 세계 최초 개발

- 구리-그래핀 나노선 기반 고성능 투명-유연 전자 소자 구현으로 에너지 분야 저명 국제학술지‘Nano Energy’에 논문 게재

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 이윤구 교수 연구팀이 섬광을 이용하여 구리-그래핀 나노선을 저원가 대량합성할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발하고 해당 기술을 바탕으로 고성능의 투명-유연 전자소자를 제작하는데 성공했다.

 최근 폴더블 디스플레이, 반투명 태양전지 및 웨어러블 전자기기 등 차세대 전자 기술의 발전으로 투명하고 유연한 전자소자 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 그러나, 기존에 활용되고 있는 투명-유연 전극 소재들은 귀금속과 같은 값비싼 원재료 및 복잡한 공정 기술을 사용하거나, 저품질로 인한 낮은 성능과 내구성 등으로 제품에 활용하기 어려운 한계점들을 보였다.

 차세대 투명-유연 전극 소재로 주목받는 구리 나노선은 전기적 특성이 우수하나 화학적 안정성이 매우 낮아 상용화에 많은 제약이 있다. 반면에, 그래핀은 우수한 전기적 특성과 화학적 안정성으로 주목받는 소재이나, 고품질의 그래핀은 진공 장비 활용이 필수여서 생산 단가가 높고 대량 합성이 어렵다는 단점이 있다.

 이에 DGIST 이윤구 교수 연구팀은 구리 나노선 표면에 강력한 섬광을 비추어 그래핀을 합성하는 방법으로 고품질 투명-유연 전극 소재의 원가를 절감하고, 생산 속도를 높여 대량 생산이 가능한 기술을 개발했다. 특히 해당 기술은 다양한 2차원 소재도 활용이 가능하고, 향후 다양한 종류의 금속-2차원 소재 나노선 합성으로 확장이 가능할 것으로 확인했다.

 또한 연구팀은 구리-그래핀 나노선을 활용하여 투명-유연 전극, 투명 슈퍼커패시터, 투명 히터 등의 고성능 투명-유연 전자소자를 구현해 해당 소재의 상용 가능성을 입증했다.

 DGIST 에너지공학과 이윤구 교수는 “본 연구를 통해 고품질 구리-그래핀 나노선 기반의 차세대 투명-유연 전극 소재의 저원가 대량 합성법을 개발하였다. 향후 해당 기술이 투명 디스플레이 또는 반투명 태양전지 등 고성능 투명-유연 전자소자용 핵심 전극 소재 생산에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF) 선도연구센터지원사업(태양광 에너지 지속가능 활용 연구센터) 및 나노소재 기술개발사업을 통해 수행했으며, 에너지 분야의 저명한 국제 학술지 ‘Nano Energy’ 23년 2월 호에 게재됐다.

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연구결과개요

Ultrastable 2D material-wrapped copper nanowires for high-performance flexible and transparent energy devices

(김종윤, 김민경, 정현우, 박재형, 이윤구*)

(Nano Energy, published on February, 2023)

금속 나노물질을 2차원 물질로 감싸면 다양한 전자 및 촉매 응용 분야에 필요한 물리적 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 고도로 조직화된 쉘 형태를 가진 2차원 물질로 감싼 금속 나노선을 합성하는 것은 표면적이 크고 종횡비가 높기 때문에 어려운 과제이다.

본 연구는 저온 및 비진공 조건에서 이차원 양자점 어셈블리 및 플래시 광 조사를 통해 고도로 조직화된 쉘 형태의 이차원 물질로 감싼 구리 나노선을 합성하는 간단하고 실용적인 방법을 제안한다. 우선, 구리 나노선 위에 용액 공정을 사용하여 그래핀 또는 육방정계 질화붕소와 같은 이차원 양자점 층을 구성하였다. 이후, 조직화 된 쉘 형태로 재조립하기 위해 섬광(flash light)을 조사하였다. 전자현미경을 통한 미세구조 관찰로 플래시 광 조사가 쉘 구조를 재조립하고 구조적 결함 없이 결정 품질을 향상시킨다는 것을 확인하였다. 이차원 물질로 감싼 구리 나노선을 활용하여 탁월한 산화 안정성, 화학적 안정성 및 기계적 내구성을 나타내는 투명 전도성 전극을 제조하였으며, 고성능 투명 슈퍼커패시터 및 유연 히터로써 활용되었다. 특히, 그래핀으로 감싼 구리 나노선 기반 전도성 전극으로 제작한 투명 슈퍼커패시터는 산성 전해질 조건에서 우수한 정전용량 거동을 보여주었다. 특히, 다른 금속 나노선 기반 투명 슈퍼커패시터와 비교하였을 때 가장 높은 면적 정전용량 (18.97 mF cm-2)을 보였다.

본 연구진이 개발한 섬광을 통해 고도로 조직화된 이차원 물질 쉘 형성 방법은 다양한 고성능 유연하고 투명한 에너지 장치의 상용 개발에 도움이 될 것으로 기대한다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존 투명-유연 전자 소자에 활용되는 전극소재는 생산 비용이 높거나 낮은 품질로 인해 내구성과 같은 성능이 떨어져 실산업에 적용되기 어려운 단점들이 있다. 본 연구에서는 비진공 조건에서 섬광을 이용하여 고품질의 구리-그래핀 전극소재를 저원가로 제조하는 기술을 세계 최초로 개발하였으며, 이를 활용하여 고성능의 투명-유연 전자소자를 구현하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

투명 디스플레이, 반투명 태양전지, 웨어러블 전자기기 등 투명하고 유연한 차세대 전자 소자의 핵심 전극 소재로 활용될 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

해당 연구의 실용화를 위해서는 차세대 전자기기들의 복잡한 집적 회로에 통합될 수 있어야만 한다. 따라서, 구리-그래핀 나노선 소재를 미세하게 패터닝할 수 있는 후속 기술의 연구가 진행될 필요가 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

금속 나노 재료에 섬광을 쬐어주게 되면 순간적으로 고온이 발생하는 것을 파악하고, 이러한 현상을 활용하여 고품질의 전자 소재를 저비용으로 손쉽게 합성하기 위해 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

본 연구는 저원가로 고품질 신규 전극소재의 대량합성법을 개발하였으며, 이를 활용하여 고성능 투명-유연 전자 소자를 구현함으로써 차세대 전자 소자의 실질적인 상용화를 겨냥했다는 점에서 큰 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

전자기기의 발전에 따라 요구되는 투명성과 유연성과 같은 기능을 만족하는 신규 소재에 대한 요구가 늘어나고 있다. 저원가와 비진공 공정을 기반으로 한 해당 연구를 바탕으로 차세대 전자소자의 상용화에 도전하고자 한다.

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그림설명

[그림 1] 섬광을 이용한 구리-그래핀 나노선 합성 과정

(a) 강력한 섬광을 이용하여 합성한 구리-그래핀 나노선 모식도 및 (b) 소재 합성 과정 

[그림 2] 구리-그래핀 나노선을 기반으로 제작한 고성능 투명-유연 전자 소자 

(a) 섬광 처리 전, 후 구리-그래핀 나노선의 전자 현미경 사진 (b) 구리-그래핀 나노선을 기반으로 제작된 투명-유연 전극의 안정성 실험 (c) 구리-그래핀 나노선을 기반으로 제작된 투명-유연 슈퍼커패시터의 성능 평가 (d, e) 구리-육방정계 질화붕소 나노선을 기반으로 제작된 투명-유연 히터의 성능 평가