바이오인터페이스 기술의 현재와 미래

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바이오인터페이스 기술의 현재와 미래

연구실·기업체 탐방

최근 정보통신 분야의 발전에 따라 기존의 다양한 어플

리케이션들은 평면성을 벗어나 이전부터 요구된 투명유

연하고 깨지지 않는 특성과 더불어 신축성을 가진 특성까

지 요구되고 있다. 이러한 흐름 속에서 투명 전극은 투명

하면서 전도성을 가지고 있는 전극 물질로서 디스플레이,

터치센서, 태양전지 등에 광범위하게 적용되어 왔다. 주

로 인듐주석산화물(ITO)이 투명전극으로 이용되어 왔지

만, ITO가 적용되기 어려운 새로운 응용 분야를 위해 비

산화물 계열의 투명 전극 소재 연구가 활발히 진행 중이

다. 이러한 요구에 발맞춰, 성균관대학교 신소재공학부

정보재료소자연구실(IMDL)에서는 정보 및 에너지 관련

혁신 소재 및 소자 연구를 수행해오고 있으며, 특히 다양

한 산화물 투명 전극 소재와 유연하고 신축성이 있는 신

규 전극 소재를 활발히 개발 중에 있다.

[Fig. 2]에 나타내듯이 산화물계 결정질/비정질 투명

전극에서 전도성 고분자, 탄소계 투명 전극, 나노 금속 구

조 투명 전극 및 인쇄 기반 투명 전극에 이르는 다양한 소

재를 개발하고 있으며 최근 다양한 소재 및 공정의 하이

브리드를 이용한 하이브리드형 투명 전극 소재의 개발이

진행중에 있다. 특히 본 연구실에서는 다양한 플라즈마

기반 공정장비와 인쇄기반 공정 장비 그리고 투명 전극

개발에 필요한 분석장비를 갖추고 있기 때문에 투명전극

성균관대학교 정보재료소자연구실(IMDL)

김한기

│연구실·기업체 탐방│

[Fig. 1] 성균관대학교 정보재료소자 연구실(IMDL) 구성원. (2018 한국진

공학회 동계학술대회)

<저자 약력>

김한기 교수는 2003년도 광주과학기술원에서 박사학위를 받았으며, 2005년까지 삼성SDI에서 책임연구원으로 재직하였고,

2008년까지 국립 금오공과대학교 조교수, 2017년까지 경희대학교 교수를 거쳐 현재 성균관대학교 신소재공학부 교수로 재직

중이다. (hankikim@skku.edu)

[Fig. 2] 정보재료소자 연구실에서 개발한 다양한 투명 전극 소재의 특성.

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진공 이야기 Vacuum Magazine │2018 3 March24

소재에 특화된 연구가 가능하며, 2005년 연구실이 오픈

한 이후 투명 전극 소재에 특화되어 240여편의 투명 전극

소재관련 SCI논문을 게재한 연구 그룹이다. [Fig. 3]

본 연구실의 현재 주요 연구 분야를 설명하면 다음과

같다. 먼저 차세대 유연 OLED와 퀀텀닷 LED에 적용이

가능한 고성능 유연 투명 전극 소재 및 대면적 공정을 개

발 중에 있다. 롤투롤 스퍼터, 이온플레이팅, 열증착 공

정을 기반으로 저온 공정이 가능한 비정질계 산화물 투

명 전극 소재를 개발 중에 있으며 [Fig. 4]에 나타내듯이

최근 고이동도 W-doped In2O3 박막을 상온 Graded

sputtering, Roll-to-Roll sputtering, Arc plasma ion

plating을 통해 유연 기판상에 구현해 유연 OLED 및 퀀

텀닷 LED용 전극으로 그 가능성을 연구하고 있다. 뿐만

아니라, 산화물-금속-산화물 구조의 다층 투명 전극, 인

듐프리 저가형 투명 전극, 고분자-산화물 하이브리드 투

명 전극 소재, 높은 일함수를 가진 산화물 투명전극, p형

투명전극소재 개발을 통해 차세대 유연 OLED와 퀀텀닷

LED의 핵심 투명 전극 기술을 디스플레이관련 기업체와

개발 중에 있다.

최근에는 (주)DKT, 한국화학연구원과 공동으로 대면

적 유연 고분자 분산 액정(Polymer Dispersed Liquid

Crystal: PDLC) 구현을 위한 인쇄형 은나노와이어 투

명 전극 기술을 개발 중에 있다. 나노2020 사업의 지원

[Fig. 3] 정보재료소자연구실의 투명 전극 소재 개발을 위한 (a) 공정 장비

및 (b) 분석 장비.

[Fig. 4] (a) Properties of OLED as IWO films as anode. (b)Fabrication

process of QDLED and image of QDLED device using IWO

films as anode.

[Fig. 5] (a) Flexible and transparent touch panel using Large-area Ag

nanowire films, (b) Smart windows for home application in

the‘off’state and‘on’state.

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[Fig. 6] (a) Schematic lab-scale roll-to-roll sputtering system with the

pictures of Ar ion beam and IWO plasma. (b) Each sample

of research projects with LG Chem, Kolon industries, and

CSRIO (Australia).[Fig. 7] (a) The various electrode for perovskite solar cell (b) the

process of buffer layer and material of buffer layer and

the schematic of hole and electron transportation (c) the

process of top cathode ITO for perovskite solar cell, structure

and energy level diagram of semi-transparent PSCs.

을 통해 개발하고 있는 슬롯다이 인쇄형 은나노투명전

극 기술은 기존 소면적의 은나노와이어 투명 전극과 달리

1500mm폭의 기판에 균일한 은나노와이어를 인쇄할 수

있는 고품위 롤투롤 인쇄장치 개발과 이를 통해 PDLC기

반 대면적 유연 스마트 윈도우를 구현하는 기술로 김한기

교수의 특허를 이전 받은 (주)DKT가 양산을 위해 공동

연구를 진행하고 있다. [Fig. 5]는 본 연구진에 의해 개발

된 대면적 은나노와이어를 이용한 유연 투명 터치패널과

유연 PDLC 스마트 윈도우를 나타내고 있다. 뿐만 아니

라, 기존 PTFE 박막을 스퍼터 공정으로 구현하여 스마트

윈도우에 적용이 가능한 다양한 기능성 박막을 개발 중에

있다.

본 연구진은 다년간 롤투롤 스퍼터 공정을 기반으로 다

양한 유연 투명 전극을 개발해 왔으며, 이를 위해 이온빔

기판 처리 기술, 상온 결정화 기술 및 연속 롤투롤 공정

기술을 통해 다양한 롤투롤 투명 전극 소재 및 공정 기술

을 개발하고 있다. [Fig.6]에 나타내듯이 이러한 롤투롤

기반 유연 투명 전극 기술을 통해 LG 화학과 공동으로 대

면적 투명 히터/투명열차단 기판 적용 연구, 코오롱 인더

스트리와 반투명 유기태양전지 개발연구, 호주 CSIRO와

인쇄형 유연 페로브스카이트 태양전지 개발연구를 진행

중에 있으며, 양산화 및 대면적화를 위해 한국화학연구원

솔루션센터와도 지속적인 공동 연구를 진행중에 있다.

뿐만 아니라, 2017년도부터 한국전력연구소와 공

동으로 작년부터 반투명 페로브스카이트 태양전지를

BIPV(Building Integrated PV)에 적용하기 위한 모듈

용 투명 전극 및 플라즈마 데미지 프리 투명 캐소드 개발

을 진행중에 있다. [Fig.7]에 나타내듯이 창호형 대면적

반투명 태양전지의 구현을 위해 고품위 투명 전극 및 다

양한 투명 버퍼 소재를 개발하고 있으며, 특히 본 연구진

이 보유한 대형 타겟 스퍼터를 이용해 플라즈마 데미지를

효과적으로 차단할 수 있는 투명 캐소드 개발을 진행중

에 있다. 기존 ITO, FTO 투명 전극을 대치할 수 있는 신

규 페로브스카이트 태양전지용 투명 전극 개발과, 홀전도

를 위한 p형 투명 산화물 반도체 개발, 페로브스카이트층

에 영향을 주지 않고 스퍼터링 공정이 가능한 비정질 투

명 캐소드 개발이 활발히 진행되고 있으며 이러한 다양한

소재는 한국화학연구원, 동아대학교, 군산대학교, 전북대

학교, 고려대학교 등 페로브스카이트 태양전지를 연구하

는 다수의 연구 그룹에 제공되고 있다.

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진공 이야기 Vacuum Magazine │2018 3 March26

[Fig. 9] a) Schematic process to fabricate wavy-patterned stretch-

able PDMS substrate and semi-transparent Ag films. (b)

Resistance change of brush-painted Ag NW/PEDOT:PSS

electrode on PU substrate. (c)Stretchable interconnectors

foe LEDs.

[Fig. 8] (a) a glass substrate loading stage with dimensions of 1100

mm × 1300 mm, segmental ITO cylindrical target on a

rotational cathode in the process chamber. Plasma formed

on the cylindrical ITO target during the CRMS process and

an ITO target with a length of 1,500 mm. (b) Standby mode

and sublimation mode of the vertical ion plating system. (c)

Flexible perovskite solar cell.

다양한 신규 투명 전극 소재 개발과 함께 본 연구진은

상용화된 ITO 전극의 특성을 향상시킬 수 있는 결정화 기

술, 스퍼터 공정 기술, 그리고 신규 ITO 제작 공정을 개

발하고 있으며 되근 (주)에스엔텍과 대면적 회전 실리더

형 스퍼터를 이용한 ITO박막 기술, 아크플라즈마 이온 플

레이팅을 이용한 ITO를 개발하여 우수한 특성을 보고 하

고 있으며 특히 유연 페로브스카이트 태양전지 개발을 위

한 고평탄 결정화 ITO 기술을 개발하여 기존 스퍼터 ITO

와 차별화되는 고품위 ITO 공정 기술을 개발하고 있다.

[Fig. 8]

스트레처블 전자소자는 늘어나는 기판상에 기존 광전

소자를 제작하여 기판이 줄어들거나 늘어남에도 작동이

가능하기 때문에 다양한 응용분야의 창출이 가능하며, 최

근 웨어러블 전자 소자나 전자피부, 사물인터넷(IoT), 차

량용 전자소자, 지능형(AI) 로봇 구현을 위한 핵심 부품

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소재로 활발한 연구가 진행 중에 있다. 이에 본 연구 그룹

에서는 PDMS와 같은 기판 상에 3차원의 wavy pattern

을 형성하거나, 전도성 고분자-은나노와이어 하이브리

드 소재를 이용한 신축형 투명 전극 기술을 개발하고 있

다. [Fig. 9] 최근 삼성디스플레이는 스트레처블 9.1인치

AMOLED를 선보이며 스트레처블 디스플레이의 가능성

을 보였기 때문에 스트레처블 전극은 차세대 웨어러블/스

트레처블 소자를 구현하기 위한 핵심 소재이며 이를 위해

최근 본 연구진이 최근 진행하고 있는 스퍼터 금속 기반

하이브리드 전극 기술은 차세대 스트레처블 디스플레이

발전에 기여할 것으로 예상된다.

본 연구실에서는 유연 전극과 기능성 박막의 기계적

특성 평가에 대한 연구를 진행하고 있다. 본 연구실은

bending outer/inner tester, folding tester, rolling

tester, twisting tester 등 다양한 종류의 특성 분석장

비를 보유하고 있으며, 이를 이용하여 다양한 투명 전

극 소재 및 기능성 박막의 stretchability, foldability,

flexibility, rollability를 평가하고 있다. [Fig. 10]

앞서 기술한 바와 같이 성균관대학교 신소재공학부 정

보재료소자연구실(IMDL)에서는 유연한 투명 전극소재,

투명 반도체 소재, 유.무기 하이브리드 소재를 기반으로

광전소자, 스마트 윈도우 및 차세대 태양전지 연구를 진

행하고 있다. 특히, 플라즈마 기반 건식 코팅공정과 솔루

션 기반 습식 코팅공정을 동시에 진행할 수 있는 연구시

설, 그리고 다양한 투명 전극 분석 장비들을 이용하여 단

기간에 소재 제작, 특성 평가, 소자응용에 이를 수 있는

인프라를 갖추고 있다. 이러한 소재/공정 기술을 이용하

여 고품위 유연 OLED, QDLET, 유기태양전지, 페로브

스카이트 태양전지, 투명 히터, 스마트 윈도우, 기능성 박

막 구현을 위해 노력을 기울이고 있다.

[Fig. 10] (a) Bending tester (b) folding tester (c) rolling tester (d)

twisting tester