[기계신문] 값싼 재료와 간단한 공정으로 산업 응용 가능성이 높은 니켈 전극이 개발되었다. 한국연구재단은 가천대 이대호 교수, 서울대 고승환 교수 연구팀이 잘 휘어지고 극한 환경에서도 녹슬지 않는 니켈로 저가의 안정적이고 유연한 투명 전극을 제조했다고 밝혔다.
플렉서블 투명 전극은 휘어지는 디스플레이, 태양전지, 투명히터 및 터치스크린과 같은 다양한 차세대 광전자 소자의 필수 부품이다.
기존 투명 전극 소재인 인듐주석산화물은 휘어짐에 약하고, 신소재인 은나노소재 및 구리나노소재는 각각 재료값이 비싸고 고온에서 산화에 약하다는 단점이 있어, 이를 대체하거나 보완할 수 있는 새로운 소재 및 전극형성 방법이 필요하다.
니켈은 전도성이 높고 은과 비슷한 색상을 가지고 있으면서도 재료의 가격이 싸고, 고온 및 화학물질에 의한 산화에 매우 강한 특징을 갖는 물질이다.
하지만 니켈 또한 비진공·저온공정 적용이 가능한 나노입자 크기에서는 쉽게 산화되므로 이를 이용하여 금속전극을 제작하기 위해서는 환원 및 소결을 동시에 진행시켜야 하는 어려움 때문에 아직까지 니켈 소재 기반 투명 전극은 관련 연구는 매우 드물다.
레이저 디지털 패터닝공정은 나노입자로 구성된 박막에 레이저를 선택적으로 조사하여 간단하고 편리하게 전극을 프린팅할 수 있는 기술이다. 지금까지는 주로 은, 금 등의 귀금속 기반의 나노물질을 사용하면서 개발되어 왔다.
이 공정을 이용하여 산화니켈 나노입자를 니켈 전극으로 형성하려면 레이저에 의해 환원이 가능한 산화니켈 나노입자 잉크 합성법 개발이 필수적이며, 특히 플렉서블 투명 전극을 제작하기 위해서는 더욱 제한적인 요건을 만족해야 한다.
연구팀은 레이저 공정에 의해 환원 및 소결이 가능하고 매우 작은 나노입자(지름 4~8nm)가 고농도일 때도 고분산도를 유지하는 비화학양론적 산화니켈(NiOx) 나노입자 잉크를 대량으로 제조할 수 있는 합성방법을 세계 최초로 소개하였다.
산화니켈 나노입자 잉크를 투명하고 플렉서블한 폴리머 기판상에 스핀코팅하여 박막을 형성한 후 레이저 디지털 패터닝 공정을 적용하여 환원·소결·패터닝을 원스텝으로 진행시켰다.
낮은 파워의 연속발진레이저를 산화니켈 나노입자로 이루어진 박막에 선택적으로 조사하면 광화학적인 환원 및 소결현상이 동시에 발생하여 니켈(Ni) 전극이 형성되었다. 레이저에 조사되지 않은 부분은 물로 쉽게 제거할 수 있으므로 결과적으로 니켈 전극 패턴만 남게 된다.
특히, 레이저 빔의 위치를 조절하는 갈바노스캐너 혹은 미케니컬 스테이지에 입력된 CAD 도면에 의해 패턴 형태가 결정되므로 매우 간단하게 전극 패턴을 형성할 수 있으며 패턴 변경 또한 매우 용이하다.
개발된 산화니켈 나노입자 잉크 덕분에 레이저 공정에 필요한 파워를 획기적으로 낮출 수 있었다. 이로 인하여 기판에 가해지는 열응력이 현저히 낮아져, 폴리머 기판 중에서도 유리전이온도가 매우 낮아 기존 공정에서는 사용할 수 없었던 PET 기판에도 전도성이 높은 니켈 전극을 성공적으로 형성할 수 있었다.
이러한 방식으로 제작된 니켈 전극은 섭씨 400도 이상에서도 산화되지 않는 우수한 내산화성을 가지며 수돗물, 심지어 해수에서도 장시간 부식되지 않는 내부식성을 보였다.
또한, 니켈 전극이 기판에 매우 안정적으로 부착되기 때문에, 테이프 및 초음파를 이용한 박리 테스트에서도 전극이 기판에서 분리되지 않았으며, 휨·비틀림 및 주기적 굽힘 테스트에서도 매우 안정적인 기계적·전기적 성질을 나타내었다.
니켈 전극을 그물망 형태로 패터닝하여 플렉서블 투명 터치스크린패널과 고온에서 매우 안정적으로 작동하는 플렉서블 투명히터를 제작할 수 있었다. 특히, 적절한 광학계를 이용하면 5um 이하의 폭을 가진 전극도 어렵지 않게 패터닝할 수 있으므로 실질적으로 눈에 보이지 않은 투명 전극 제작이 가능하다.
이대호 교수는 “니켈 전극 특유의 높은 전기적‧기계적‧화학적 안정성으로 기존 투명 전극 재료들을 대체하거나 보완할 것”이라며 “휘어지고 접히는 차세대 디스플레이‧태양전지 소자는 물론, 차량용 히터, 스포츠 고글, 스마트 글래스 등의 다양한 웨어러블 장치에 응용될 것으로 기대된다“고 설명했다.
이번에 개발된 기술은 운동성이 가미되어야 하는 웨어러블 기기, 바다, 우주 등의 특수한 환경에서 안정적으로 작동하는 플렉서블 소자에 응용 가능성이 높으며, 더 나아가 수중·재해 로봇, 소프트 로봇, 개인 맞춤형 전자소자 등에서도 다방면으로 응용될 수 있을 전망이다.
한편, 이번 연구는 교육부‧과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업 및 산업통상자원부‧한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 1월 11일자 게재되었다.