식물 잎으로 저항 100배 낮은 고성능 투명 전극 개발

문광주 기자 / 기사승인 : 2020-07-09 16:58:09
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식물잎의 정맥 네트워크, 분지형 전극 생성, 투과성 최대 84%,
평방센티미터 당 최대 6,000A(암페어)의 전류 밀도 견뎌. 새로운 유형의 태양 전지, LED, 디스플레이를 설계에 사용. 리튬-이온 배터리 또는 슈퍼 커패시터에도 적용 가능.

식물 잎으로 만든 전극
잎의 정맥을 강력하고 투명한 전극으로 바꾼다.


자연 특허 :
식물 잎은 태양 전지, 디스플레이 및 기타 전자 장치에 적합한 고성능 투명 전극으로 놀랍도록 쉽게 변환할 수 있다. 이를 위해 연구자들은 잎 조직을 풀고 구리 나노 필름 잎 정맥을 코팅했다. 최종 전극은 종래의 전극보다 100배 더 낮은 시트 저항을 가지며 금속이 훨씬 더 적게 필요했다.

▲ 피부처럼 얇지만 전도성이 있다. 식물 잎으로 만든 거의 투명한 구리 전극 © Sven Döring/ Leibniz-IPHT


투명 디스플레이, 터치스크린, 박막 태양 전지 또는 발광 다이오드 등, 이러한 모든 전자 장치에는 강력하고 저렴한 전극이 필요하다.
지금까지, 은 또는 인듐 주석 산화물 (ITO, Indium Tin Oxide)로 만들어진 전극이 전자 장치에 주로 사용되어왔다. 그러나, 이들 금속은 비싸고 ITO 박막의 전도성은 다소 제한적이다.

식물의 정맥 네트워크는 기본으로 나뭇잎

독일 예나(Jena)에 있는 라이프니츠 광기술 연구소(Leibniz Institute for Photonic Technologies)의 구오빈 지아(Guobin Jia)와 연구원들은 최근 놀라운 대안을 개발했다.
그들은 식물 잎이라는 새로운 전극용 기반으로 현존하는 자연의 산물을 사용했다.
“우리는 자연의 완벽하게 독창적인 시스템에서 영감을 얻었으며 낙엽의 잎 정맥에서 높은 전력 밀도와 낮은 재료 소비로 전극을 만들었다”고 설명했다.

이것의 장점은 미세한 네트워크와 같은 분지형 잎 정맥은 자연적으로 그 내용물 (물과 영양분)을 효율적이고 견고하게 분배하도록 최적화되어 있다.
지아의 동료 요나단 플렌츠(Jonathan Plentz)는 “전류 또는 신호를 수집 또는 분배하는 태양 전지, 배터리 또는 LED의 전극과 공통점이 많다”고 말했다. 그러나, 지금까지, 분지형 전극의 생성은 복잡하고 종종 실제 필요한 것보다 많은 재료를 필요로 한다.

잎에서 네트 전극까지

Jia와 그의 팀은 다른 접근법을 선택했다.
식물 잎을 전극으로 직접 변환했다. 이를 위해 먼저 목련 잎의 식물 조직을 수산화나트륨 용액과 과산화수소로 녹여서 미세한 잎 정맥 네트워크만 남도록 했다. 그런 다음 촉매로 이것을 담그고 다음 단계에서 정맥에 구리의 침착을 촉진했다.

결과는 유연하고 유연한 시트 골격으로, 정맥은 수 마이크로미터 이하의 얇은 구리층으로 덮여 있다. 이것은 시트를 분지형 투명 전극으로 바꾸었다. 얇은 와이어 메쉬는 측정 결과에서 볼 수 있듯이 여전히 빛을 통과시킨. IUV 범위에서 적외선까지의 전극 시트의 투과성은 최대 84%이다.

▲ 분지형 포플러 잎의 모습, 출처: 위키미디어 Author Krümelomat


낮은 저항, 높은 투명성

중요한 점은 잎 전극이 테스트에서 일반적인 ITO 전극보다 더 강력하다는 것이 입증되었다. 연구진에 따르면 시트 저항은 최대 100배 낮아지고 동시에 평방센티미터 당 최대 6,000A(암페어)의 전류 밀도를 견딜 수 있다.
테스트에서 그들은 콘센트에서 나오는 정상적인 AC 전원을 전극 잎을 통해 40W(와트) 전구로 연결하고 전극을 손상시키지 않고 불을 켰다.

"우리가 아는 한, 이 잎 전극은 이전 전극에 비해 가장 낮은 시트 저항과 비슷한 투명도를 나타낸다." Plentz는 또 다른 장점으로 “우리는 잎으로 만든 전극 재료를 훨씬 적게 필요로 한다. 더 높은 효율 덕분에 더 저렴한 구리는 필요한 성능을 달성하기에 충분하다. 따라서 은과 인듐을 절약 할 수 있다”고 말한다.

과학자들에 따르면, 이러한 잎 전극은 모든 전자 응용 분야를 저렴하고 제조하기 쉽게 만들 수 있다고 한다. 자연의 예에 따라 설계된, 잎 구조 전극은 새로운 유형의 태양 전지, LED 또는 디스플레이를 설계하는데 사용될 수 있다.
이러한 전극 네트워크는 리튬-이온 배터리 또는 슈퍼 커패시터에도 사용될 수 있다.
(Nano-Micro Letters, 2020; doi: 10.1007/s40820-019-0359-9)

출처: Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

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