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김태근교수님 산업포럼 세미나 강연

작성자
익명
작성일
2018-06-21 19:54
조회
27

김태근교수님께서 일산 킨텍스에서 산업포럼 세미나를 하셨습니다.
http://www.s21.co.kr/

유리투명전극 기반의 고효율 광전소자 (Highly efficient optoelectronic devices using glass electrodes)

본 발표에서는 이 같은 유리투명전극기술의 개요 및 다양한 형태의 유무기 반도체소자의 응용성을 소개했다. 또 그 실제 적용 예로서 AlGaN 기반의 자외선 LED (385, 365, 280 nm), GaN 기반의 마이크로 픽셀 LED, AlN, Al2O3 등 wide-bandgap 박막을 이용한 광대역의 OMO (oxide/metal/oxide) 기반 플렉서블 투명전극 및 소자 응용, 필라멘트 도핑을 이용한 금속산화물 기반의 고투과 저저항 투명전극 및 유기광전소자 (organic LED: OLED, organic photovoltaic: OPV) 적용 결과를 소개했다.




이 기술은 먼저 ITO 대체 물질로서 가시광 및 근자외선 LED에 적용하여 기술 타당성을 확인 후, 현재로서는 구현이 어려운 심자외선 LED용 투명전극을 사용해서 10nm의 ITO 전극을 사용한 심자외선 LED 대비 42% 감소한 구동전압 (@ 20mA), 416% 증가한 광 출력 (@ 100mA), 420% 증가한 외부양자효율 (@ 5mA)을 포함한 세계 최고 수준의 특성을 데모하였다.




또 수평형의 마이크로 픽셀 LED에도 적용하여 해당 소자의 효율 향상을 위해 요구되는 LED의 fill factor (발광면적/픽셀면적) 증가를 위한 연구를 수행했다. 그 결과 ITO 소자 대비 10% 향상된 광 출력 (@ 10mA) 및 13% 향상된 전류밀도 (@ 4.9V)등 매우 우수한 특성을 구현하였다.




한편, 특정 파장에서는 높은 투과도를 가지며 낮은 면 저항과 플렉서블한 특성을 보이지만 자외선 영역에서는 상대적으로 낮은 투과도를 갖는 OMO 투명전극의 단점을 보완하고자 ITO/Ag/AlN/Al2O3 형태의 이종접합 구조 OMO 투명전극을 개발하여, ITO나 ITO/Ag/ITO 기반의 자외선 LED 대비 16%, 46% 향상된 광출력(@20mA)과 1.2%, 5.6% 감소한 구동전압(@20mA) 등 우수한 소자특성을 보고하였다.




끝으로, 유리투명전극 기법을 활용해 ITO, AZO, FTO와 같은 여러 금속산화물 박막에 전기적 도핑법으로 다양한 금속 불순물을 주입할 수 있는 독특한 방법을 개발해 기존의 열 또는 빛 에너지에 의한 불순물 도핑으로는 구현이 어려웠던 문제에 대한 해결방안을 제시하였다.

이 같은 방법을 이용하면 다양한 금속산화물 박막의 물성(면저항, 투과도, 일함수 등)을 독립적으로 제어할 수 있으며, GaN 기반의 LED뿐만 아니라 OLED, OPV와 같은 유기광소자에도 적용하여 기술의 우수성과 보편성을 검증하였다.

OLED의 경우, 일반적으로 사용되는 150nm 두께의 ITO기반 소자 대비 30nm 두께의 doped-ITO 전극을 사용한 소자에서 15.6% 낮아진 구동 전압(@1000cd/m2), 49.1% 향상된 출력변환효율(최대효율기준, 50.3cd/W → 63.5cd/W) 및 24.7% 향상된 외부양자효율 (최대효율기준, 18.6% → 23.2%)을 관찰하였으며, OPV의 경우도 실내광(indoor) 조건에서 도핑된 10nm의 매우 얇은 ITO 전극을 사용하여 전력변환효율에서 44% 향상된 매우 우수한 특성을 확인하였다. 


연구팀은 최근 SiO2나 AlN와 같은 큰 에너지 밴드갭의 금속 산화물 또는 질화물을 이용하여, 외부 전기장 인가 방식을 통해 물질 내 결함을 제어하여 전도성 필라멘트를 형성함으로써, 물질 고유의 투과특성은 유지하면서 금속 전극패드로부터 자유롭게 전류를 주입할 수 있는 신개념의 “유리투명전극 (glass-based transparent conductive electrode, G-TCE)” 기술을 제안하고, 가시광 및 자외선 발광 다이오드에 적용한 바 있다.


이 방식은 에너지 밴드갭이 다른 물질들의 합성을 통한 에너지 밴드갭 제어, 불순물 도핑을 통한 전기전도도 제어, 그래핀과 같은 나노소재의 증착/코팅횟수에 따른 전기/광 특성 제어 등의 trade-off 관계에 구속되지 않고, SiO2와 같이 값싸고 풍부하면서 화학적으로 안정한 물질을 사용함으로써 가시광뿐만 아니라 200nm 파장대역의 심자외선 영역에서도 높은 투과도와 전기전도도를 확보할 수 있다.



위 그림같이 GaN 기반의 LED의 상부 p형 반도체에 AlN 기반의 유리박막을 증착하고, 전류주입을 위한 금속패드 하단에 적절한 간격으로 전압을 인가해 (전기적 포밍, electrical forming) AlN 박막 내부에 전도성 채널 또는 필라멘트를 형성, p-GaN 층에서 오믹 조건을 유도함으로써 궁극적으로 가시광은 물론 심자외선 영역에서도 AlN의 높은 투과도(>95%@280nm)는 유지하면서, 금속패드로부터 반도체로의 전류주입이 가능한 기술이다.
이와 같은 유리투명전극 기술은 유연저항변화메모리, 슈퍼캐패시터, 열전소자, 바이오센서 등 다양한 분야의 전기, 광소자에 활용될 예정이다.







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