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전도성 고분자로 플렉서블 투명전극 만든다

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전도성 고분자로 플렉서블 투명전극 만든다

2019.10.16 13:30
윤창훈 수석연구원이 투명전극 제작에 사용되는 PEDOT:PSS 용액을 보여주고 있다. 생산기술연구원 제공.
윤창훈 수석연구원이 투명전극 제작에 사용되는 PEDOT:PSS 용액을 보여주고 있다. 생산기술연구원 제공.

스마트폰의 터치패널이나 IT기기 디스플레이에는 빛을 그대로 투과시키면서 전기를 잘 통하게 하는 투명전극이 들어간다. 핵심부품인 투명전극의 소재는 ‘인듐 주석 산화물(ITO)’이 가장 널리 쓰인다. 이 소재는 전기 전도도가 높지만 휘거나 굽혔을 때 쉽게 깨져 플렉서블 디스플레이에 활용하기 쉽지 않다. 

 

한국생산기술연구원은 윤창훈 나노·광융합기술그룹 수석연구원 연구팀이 플렉서블 투명전극 소재로 주목받고 있는 전도성 고분자에 레이저를 쪼여 ITO 소재만큼 전기 전도도를 높일 수 있는 공정기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 

 

이번 연구는 플렉서블 디스플레이에 대한 관심이 높아지며 ITO 전극의 단점을 극복하는 차세대 투명전극 개발 경쟁이 치열한 상황에서 전도성 고분자를 활용한 새로운 공정을 개발했다는 점에서 의미가 있다는 평가다. 

 

전도성 고분자는 전기가 잘 통하는 플라스틱 소재로 형태 변화가 자유로운 고분자 특성이 있어 압력을 가해도 깨지지 않아 플렉서블 디스플레이에 적합하다. 그러나 ITO에 비해 1000분의 1 수준에 불과한 전기 전도도를 높이려면 유기용매, 계면활성제 등 화학 첨가제를 사용해야 한다. 이 경우 친환경 공정 구현이 어렵고 전도도 또한 ITO 수준에 못미쳐 상용화가 어려웠다. 

 

윤창훈 수석연구원 연구팀은 대표적인 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’ 투명전극에 1064나노미터(nm, 10억분의 1미터) 파장의 적외선 레이저를 쬐어 전도도가 약 1000배 가량 높아지는 물리적 현상을 발견하고 이를 공정에 적용하는 데 성공했다. 

 

PEDOT:PSS 투명전극은 전도성이 있는 PEDOT을 PSS가 전선 피복처럼 둘러싸고 있는 실뭉치 형태의 고분자 박막이다. 전도도를 높이려면 PSS를 최대한 녹여 PEDOT끼리 서로 연결되도록 해야 한다. PSS를 녹인 용액에 1064나노미터 파장의 적외선 레이저를 쏘면 PEDOT이 열을 먼저 흡수해 온도가 올라가고 이 때 둘러싼 PSS가 전선 피복이 녹는 것처럼 PEDOT이 다량 노출돼 전도도가 높아지는 원리다. 

전도성 고분자와 적외선 레이저로 제작한 투명 터치패널 시제품. 생산기술연구원 제공.
전도성 고분자와 적외선 레이저로 제작한 투명 터치패널 시제품. 생산기술연구원 제공.

이번 연구는 기존 화학적 방식에서 벗어나 레이저를 활용한 물리적 처리 방식으로 ITO 박막 수준의 전도도를 구현한 세계 첫 사례로 주목된다. PEDOT:PSS는 특히 국내 조달이 가능해 대일 의존도가 70%에 달하는 ITO 소재를 대체할 수 있다. 

 

윤창훈 수석연구원은 “유기발광다이오드(OLED)에 레이저를 쬐면 발광도가 떨어지는 현상을 연구하던 중 유사물질인 전도성 고분자에 레이저를 쬐었더니 예상과 달리 전기 저항이 떨어지는 현상을 발견해 연구에 착수했다”며 “이번에 개발한 공정 기술은 플렉서블 디스플레이와 사용자 맞춤형 웨어러블 기기, 폴더블 태양광 패널 제작 등에도 활용 가능할 것”이라고 밝혔다. 연구결과는 지난 9월 영국왕립화학회가 발행하는 재료 분야 학술지 ‘머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)’ 온라인판에 게재됐다. 

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