▲ 사진: 노종욱 교수

경북대 나노소재공학부 노종욱 교수팀은 1나노미터 두께의 루테늄(RuO2)산화물 나노시트의 구조에 따른 광학적·전기적 특성을 세계 최초로 밝혀냈다. 루테늄산화물 나노시트는 꿈의 신소재로 불리는 그래핀(graphene) 보다 우수한 광학 투과도와 전기적 특성을 가지고 있어 차세대 플렉서블 투명 디스플레이 전극 소재로 사용 가능할 것으로 기대된다.

투명 디스플레이 전극 소재로 사용하기 위해서는 반드시 광학 투과도가 높은 동시에 높은 전기 전도도를 가져야 한다. 그러나 벌크 물질에서 광학 투과도가 높은 물질은 에너지 밴드갭이 커 전기 전도도가 낮아 투명 디스플레이 전극 소재로서 한계를 가지고 있다.

이를 극복하기 위해 그래핀, 은(Ag) 나노선 등의 나노소재를 투명전극 소재로 활용하는 연구가 활발하지만 가격, 대면적화, 안정성, 그리고 광특성 등 여러 가지 문제로 상용화가 쉽지 않은 현실이다.

노 교수팀은 화학적 박리법*으로 벌크 형태의 루테늄산화물을 두께 1나노미터 정도의 단일층 나노시트로 합성하는데 성공했으며, 투과전자현미경과 전자빔 리소그래피를 이용해 나노시트의 미세구조와 광학적·전기적 특성을 측정했다. 루테늄산화물 나노시트는 화학적 박리 과정을 거치는 동안 격자구조의 변형이 일어나게 되고, 그에 따라 높은 광학 투과도를 가지는 동시에 에너지 밴드의 변형으로 인해 반금속 성질을 가지는 것으로 확인됐다. 이 연구 결과는 나노소재의 격자구조 변화를 통해 전기 전도도를 인위적으로 조절이 가능함을 시사한다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

* 덩어리 상태의 소재를 화학적 반응을 통해 원자 구조 한 층씩 벗겨내는 기술

루테늄산화물 나노시트는 산화물 공기 중에서 안정적이며, 화학적 박리법으로 대량 합성이 가능하고 도전성 페이스트*로 만들 수 있어 값싼 공정으로 플레서블 투명 디스플레이 전극을 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 실제로 노 교수팀이 루테늄산화물 나노시트를 이용해 투명전극 필름을 제작했을 때 구부림(bending)에 대한 내구성이나 대기 중에서의 안정성이 기존의 대표적인 투명전극 소재인 은 나노선에 비해 뛰어난 것으로 밝혀졌다.

* 코팅이 가능한 액체 속에 전기전도성 소재를 포함하고 있는 도전성 잉크(ink)

노종욱 교수는 “루테늄산화물 나노시트는 그래핀보다 광학 투과도가 우수하고 나노시트의 두께 조절을 통해 전기적 특성을 자유롭게 조절할 수 있어 투명전극을 포함해 디스플레이 분야, 반도체 및 나노 소자 등 폭넓은 분야에서 활용될 수 있을 것이다”이라고 말했다.

연세대 이우영 교수 연구팀과 함께 진행한 이번 연구는 네이처 출판 그룹(NPG)이 발행하는 재료분야 권위 학술지인 NPG 아시아 머티리얼즈 (NPG Asia Materials) 최근호에 게재됐다.

* 논문제목 :　Understanding the structural, electrical, and optical properties of monolayer h-phase RuO2 nanosheets: a combined experimental and computational study