이진호(인천대학교 물리학과 조교수), 김경식(인천대학교 지능형반도체공학과 석사과정)

인천대학교(총장 박종태) 물리학과 이진호 교수팀은 잉크젯 인쇄 기술을 이용하여 별도의 리소그래피 공정 없이 세계에서 가장 작은 3μm 직경의 산화아연 마이크로닷 어레이를 구현하는데 성공했다.

연구팀은 잉크젯 인쇄된 드랍렛의 기하학적 구조에 따른 내부 미세 유체 거동과 고체화 메커니즘의 상관관계를 분석하였다.

접촉각이 작은 드랍렛의 내부에서는 바깥 방향의 대류 흐름이 우세하여 응고 후 커피 링 효과 (coffee ring effect)가 강하게 나타나는 반면 접촉각이 큰 드랍렛의 경우 내부를 순환하는 마랑고니 흐름 (Marangoni flow)이 강화되어 건조 과정 중 드랍렛의 접촉선 고정 현상을 지연시키고 커피 링 효과가 억제된 소형화된 마이크로닷 구조를 형성함을 확인하였다.

연구팀은 기판의 표면 에너지 및 온도 제어를 통해 드랍렛의 초기 접촉 면적을 최소화함으로써 미세화된 산화아연 마이크로닷 어레이를 구현하고 이를 유기태양전지에 적용하였다.

마이크로닷 어레이에 의한 광학적 효과에 의해 태양전지의 광활성층내 흡수가 증대되어 효율이 향상됨을 확인하였다.

연구를 주도한 이진호 교수는 “이번 연구는 건조 과정 제어를 통해 잉크젯 인쇄의 장애물인 커피 링 효과를 억제할 수 있을 뿐만 아니라 초기 드랍렛에 비해 훨씬 더 작은 마이크로닷 구조를 구현할 수 있었다”면서 “잉크젯 인쇄 기술이 발전하면 나노사이즈의 구조체를 인쇄 공정을 통해 손쉽게 구현하여 다양한 광소자에 응용 가능할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

본 연구는 광주과학기술원 강홍규 박사, 한국화학연구원의 홍순일 박사 연구팀과 함께 수행하였으며, 재료 및 금속공학 분야 국제 학술지인 Journal of Materials Research and Technology (JCR 상위 6.1%)에 게재되었다.

잉크젯 인쇄된 드랍렛의 내부 미세 유체 거동과 고체화된 마이크로닷의 기하학적 구조.

산화아연 마이크로닷 어레이를 포함하는 유기태양전지 제작 공정 모식도.