김한기·이보람 교수팀, 희귀금속 ‘인듐’ 없는 차세대 투명 전극 기술 개발

- 질소 도핑 산화주석(NTO) 전극으로 기존 ITO 한계 극복… 소자 수명 2배 이상 향상

- 저비용·고효율 페로브스카이트 LED 상용화 앞당겨

▲ (왼쪽부터) 공동교신저자 성균관대 김한기 교수, 이보람 교수, 주저자 박소망, 김지훈 연구원

신소재공학부 김한기 교수와 이보람 교수 공동 연구팀이 디스플레이의 핵심 소재인 희귀금속 ‘인듐’을 전혀 사용하지 않고도 고성능을 유지하며 수명을 획기적으로 늘린 차세대 투명 전극 기술을 개발했다. 

최근 차세대 디스플레이의 핵심 기술로 주목받는 ‘페로브스카이트 발광다이오드(Perovskite LED, 이하 PeLED)’는 색이 매우 선명하고 유연하게 만들 수 있다는 장점이 있다. 하지만 지금까지는 ‘인듐 주석 산화물(ITO)’이라는 소재를 투명 전극으로 사용해 왔다. 인듐은 희귀금속이라 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 시간이 지나면 소자 내부로 확산되어 디스플레이의 성능을 떨어뜨리고 수명을 단축시키는 고질적인 문제가 있었다. 

▲ 비정질 구조의 인듐프리 N-SnO2 투명 전극

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 인듐 대신 주변에서 흔히 찾을 수 있는 주석에 질소를 결합한 ‘질소가 도핑된 산화주석(NTO)’ 기반의 새로운 투명 전극을 제안했다. 연구팀은 특수한 나노 공정(RF 마그네트론 스퍼터링)을 통해 이 전극을 제작했으며, 실험 결과 기존 인듐 기반 전극(ITO)과 대등한 수준인 20.82%의 높은 발광 효율을 기록했다.

특히 이번 연구에서 가장 주목할 만한 성과는 ‘장기 안정성’이다. NTO 전극을 적용한 소자는 기존 ITO 전극 소자보다 수명이 2배 이상 길어졌다. 이는 전극 내부에 형성된 질소와 주석의 강한 결합이 금속 이온이 퍼져 나가는 것을 막아주는 방어막 역할을 하기 때문이다. 또한, 이 기술은 낮은 온도에서도 대면적으로 제작할 수 있어 실제 공장에 바로 적용해 대량 생산하기에도 매우 유리하다.

▲ 인듐프리 N-SnO2 투명 전극이 적용된 차세대 고효율 페로브스카이트 LED

이번 연구를 이끈 김한기 교수는 “이번 성과는 비싼 희귀금속에 의존해 온 기존 디스플레이 투명 전극 기술의 한계를 근본적으로 해결한 연구”라며, “앞으로 디스플레이뿐만 아니라 태양전지 등 다양한 차세대 에너지 소자 분야에서 인듐 없는 투명 전극 시대를 앞당기는 중요한 전환점이 될 것”이라고 연구의 의미를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 ‘차세대 OLED 산업 원천기술개발 사업’과 한국연구재단의 중견과제 지원으로 수행되었으며, 재료 과학 분야의 세계적 권위지인 ‘머티리얼즈 투데이(Materials Today, IF: 22.0)’ 2월 26일 자 온라인판에 게재되었다.

※ 논문명: Chemically durable and cost-efficient N-doped SnO2 transparent electrodes for Full-color perovskite light-emitting diodes

※ 학술지: Materials Today (Impact Factor: 22.0)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.12.031