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KIST, 투명도가 10배 향상된 전도성 플라스틱 개발

작성자 : 편집부 2020-07-16 | 조회 : 1391

- 뛰어난 투명도와 유연성을 동시에 갖는 고분자 개발, 세계최초 원천기술 확보

- 기존 전도성 고분자 구조적 모순 해결, 향후 다양한 분야 산업발전에 활용 기대

국내 연구진에 의해 투명도가 매우 향상된 전도성 플라스틱 신소재가 개발되었다. 뛰어난 가공성과 내구성에도 불구하고 불투명함이 한계로 지적되어온 전도성 고분자를 뛰어넘어 차세대 투명유기전극 시장의 유력한 후보로 부상할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장직무대행 윤석진) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 홍재민) 기능성복합소재연구센터 주용호 박사팀은 Purdue University 화학공학과 Bryan W. Boudouris 교수팀과 공동연구를 통해 높은 전도성과 투명함을 동시에 지니는 플라스틱 신소재를 개발했다고 밝혔다.

투명전극은 현재 스마트폰과 TV, 각종 디스플레이에 활용되고 있으며, 빛은 그대로 투과시키면서 전기를 잘 통하게 하는 역할을 한다. 투명전극을 만들기 위해 대표적으로 사용되는 소재가 전도성 고분자인데, 유연하고 생산비용이 적어 우리나라를 포함한 소재 강국에서 전도성 고분자에 대한 연구개발이 활발히 진행 중이다.

(좌, 위) 라디칼 고분자와 이온의 화학적 구조, (우, 위) 높은 투명도를 나타내는 고분자-이온 복합소재

(아래) 높은 이온 전도도와 전기 전도도를 동시에 나타내는 디바이스 성능 그래프

본 연구에 활용된 전도성 고분자는 PEDOT:PSS[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]로, 투명전극 연구에 대표적으로 활용되고 있지만, 화학구조의 한계로 인하여 필름의 두께가 두꺼워지면 불투명도가 높아지는 단점을 가지고 있다. 따라서 2000년 노벨화학상을 수상한 전도성 고분자의 개발은 이후 유연하고 투명하며, 높은 압력에도 깨지지 않는 강도를 확보하기 위한 연구개발이 중점적으로 이루어져 왔다.

KIST 주용호 박사팀은 본 연구에서 라디칼 고분자(Radical Polymer)*의 활용에 주목하였다. 투명전극으로 라디칼 고분자를 활용하고자, 소재를 불투명하게 하는 공중합 구조를 없앤 비공중합 고분자합성에 주력하였고, 이에 최적화된 화학구조를 적용하여 뛰어난 투명도와 유연성을 동시에 갖는 고분자를 개발하고 고분자-이온 복합체를 형성하여 이 분야의 세계최초 원천기술 확보에 성공했다.

* 라디칼 고분자(Radical Polymer): 선형 탄소 골격에 안정된 라디칼 작용기를 함유한 고분자다. 안정된 라디칼 작용기는 전기적 신호를 전달받아 전자를 전달하는 매개체로 사용된다.

PDMS(폴리디메틸실론산) 탄성체 위에 코팅된 라디칼 고분자-이온 복합체로 투명, 유연, 전도성을 지닌 개발된 필름, 발광다이오드에 전류가 흐르는 전도성 테스트를 하고 있다.

실험을 통해 개발한 고분자가 필름 두께 1㎛(마이크로미터, 100만분의 1m)에서 96% 이상의 투명도를 가지는 것을 확인하였으며, 이는 같은 두께에서(1㎛)의 기존 전도성 고분자 PEDOT:PSS의 투명도가 10% 이하인 것과 비교하면 매우 높은 수치이다.

KIST 주용호 박사는 “라디칼 고분자의 개발은 기존 전도성 고분자의 구조적 모순을 해결하여 유기 전자재료 연구개발에 새로운 패러다임을 제시하게 될 것”이라며, “향후 높은 전도도와 유연성, 투명도를 극대화하는 고성능 유기 전자소재의 개발로 이어져 차세대 에너지 저장 소재, 투명 디스플레이 소재, 플렉시블 배터리, 바이오 전기화학 등 다방면의 발전에 활용될 수 있기를 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원을 받아 KIST의 주요사업과 한국연구재단 신진연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 고분자 분야 국제 저널인 ‘Macromolecules’ (IF: 5.997, JCR 분야 상위 5.172%) 최신호에 게재되었다.

* 논문명: Mixed Ionic and Electronic Conduction in Radical Polymers