대량생산 가능한 고전도성 유기투명전극소재 개발

신일영 기자
입력 2017.02.01 00:00

전기 전도도 2배… 전도성 고분자 응용 확대 기대

미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 초정밀 나노입자 공정기술로 기존보다 전기 전도도가 2배 높은 전도성 고분자 용액을 제조하고, 이를 이용한 직접 인쇄공정을 통해 고효율의 유연소자를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 약 2000S/cm의 높은 전도도를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 용액상으로 밝힌 세계 최초의 연구다. 자료 : 미래창조과학부

전도성 고분자는 가격 경쟁력, 유연성, 공정성 등의 장점을 갖고 있어 주목받는 투명 전극소재다. 그러나 대표적 투명전극 소재인 ITO(indium tin oxide)에 비해 전기 전도도가 낮아 실제 적용에는 어려움을 겪고 있다. 이번 연구에서는 기존물성(1,000S/cm)을 뛰어넘는 높은 전기 전도도(2,000 S/cm)를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 안정성이 높은 상태로 제조하고, 연속식 인쇄공정을 통해 유연 전자소재 개발의 한계를 극복할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있다.

이번 연구는 김중현 교수(연세대학교)·노용영 교수(동국대학교) 연구팀이 미래창조과학부 나노·소재기술개발사업 지원으로 연구를 수행했다. 연구결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, 영향력 지수 18.96)에 게재됐고, Inside Cover Story 논문으로 선정됐다.
*논문명 : Purification of PEDOT:PSS by Ultrafiltration for Highly Conductive Transparent Electrode of All-Printed Organic Devices

김중현 교수

전도성 고분자는 가격 경쟁력, 유연성, 공정성 등의 장점을 갖고 있어 주목받는 투명 전극소재다. 그러나 대표적 투명전극 소재인 ITO(indium tin oxide)에 비해 전기 전도도가 낮아 실제 적용에는 어려움을 겪고 있다.이번 연구에서는 기존물성(1,000S/cm)을 뛰어넘는 높은 전기 전도도(2,000 S/cm)를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 안정성이 높은 상태로 제조하고, 연속식 인쇄공정을 통해 유연 전자소재 개발의 한계를 극복할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있다.

ITO 대체 전도성 소재개발 절실

전도성 고분자는 저렴한 가격과 유연성, 공정의 편리성 등 여러 장점들을 갖고 있어 기존의 ITO(indium tin oxide)를 대체하기 위한 전도성 소재로 주목받고 있다. 현재 전 세계적으로 가장 상용화된 고전도성 고분자 clevios PH1000이 1000S/cm의 전기 전도도를 구현하지만, 이는 ITO가 구현하는 전기 전도도보다 현저히 낮아서 경쟁력을 확보하고 상용화하는데 어려움을 겪고 있다. 그동안 전 세계적으로 많은 연구진들이 전도성 고분자의 전기적 물성을 향상시키기 위한 공정연구를 개발해왔다.
그러나 대부분의 공정은 용액상 공정이 아닌, 전도성 고분자 박막을 형성한 후 극성 용매나 황산 수용액과 같은 용액에 담그거나, 도포하는 방식이다. 이는 공정의 편리성이 떨어질 뿐만 아니라, 처리과정에서 전도성 박막에 결함(defect)이 생기는 우려 등의 한계점을 가져 효과적인 해결책이 절실히 요구되는 상황이다.

막 분리공정 이용,

전도성 고분자 입자 용액 제조

PEDOT:PSS의 제조에 1차 도펀트 및 분산제로 첨가되는 PSSA는 절연체로써 전도성 고분자 박막의 높은 전도도 값을 방해하는 역할을 한다. 이러한 PSSA는 PEDOT과 결합된 것과 결합되지 않은 것으로 구분된다. PEDOT이 결합되지 않은 PSSA(free-PSSA)는 수상에 완전히 녹기 때문에 막(membrane)을 통과해 제거할 수 있다. 반면, 물에 녹지 않는 성질을 가진PEDOT이 결합된 PSSA는 막을 통과하지 못해 잔류하게 된다.

[그림 1] 전도성고분자 용액 공정 개념도 및 전기적 물성 향상 결과

이러한 막을 이용한 막 분리공정은 합성 시 첨가되는 free-PSSA 뿐만 아니라, 반응 후 남아있는 촉매 및 단량체(monomer) 등의 반응 부산물을 함께 제거할 수 있다. 따라서 최종적으로 기존보다 더 높은 전도도를 구현할 수 있는 전도성 고분자 입자 용액을 제조할 수 있었다.

세계 최초 2000S/cm 전도도 구현 고분자 밝혀

이번 연구는 세계 최초로 약 2000S/cm의 높은 전도도를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 용액상으로 밝혀냈다는데 의미가 있다. 특히 이를 이용해 제조된 전도성 고분자 용액은 안정성이 높은 용액으로 존재하기 때문에 연속식 인쇄공정을 통한 유기전계효과 트랜지스터에 적용되어 유연한 전자소재 개발의 한계를 극복했다고 볼 수 있다.

김중현 교수는 “이번 연구에서 제조된 고전도성 유기용액소재는 직접 패터닝(Direct Patterning)이 가능하고, 연속생산공정(Roll to Roll Process)으로 유연투명전극을 대량 생산할 수 있다”고 설명하고, “따라서 향후 태양전지, 디스플레이 등 다양한 전자소재 제조에 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 의의를 설명했다.

[그림 2] 연구 내용이 게재된 Advanced Material Inside Cover Story 사진

전도성고분자 용액의 정제 공정을 통해 불순물을 제거하고(왼쪽 개념도), 이를 통해 전기적 물성(전기전도도)이 약 2배가량(1100→2000 S/cm) 향상되고(오른쪽 그래프), 전기전도도 상승 후에도 안정한 상태의 용액으로 계속해서 유지되는 것을 볼 수 있다.(오른쪽 그래프 내부 사진)