생기원, 전도성 고분자에 레이저 쏴 전기 전도도 1천배 높여

[아이뉴스24 최상국 기자] 전도성 고분자에 레이저를 조사해 전기 전도도를 획기적으로 높일 수 있는 기술이 개발돼 유연하고 투명한 전극 소재의 국산화에 기여할 것으로 기대된다.

16일 한국생산기술연구원(원장 이성일)은 플렉시블 투명전극 소재로 각광받고 있는 전도성 고분자에 레이저를 조사해 ITO(인듐 주석 산화물) 전극 수준만큼 전기 전도도를 높일 수 있는 공정기술을 개발했다고 발표했다.

전도성 고분자는 전기가 잘 통하는 플라스틱 소재의 일종으로, 형태 변화가 자유로운 고분자 특성상 압력을 가해도 깨지지 않아 플렉시블 디스플레이에 적합하다. 하지만 투명전극 소재로 현재 가장 보편적으로 쓰이는 ITO에 비해 전기 전도도가 1천분의 1 수준에 불과해 상용화에 걸림돌이 돼 왔다. 반면 ITO는 전기 전도도가 높은 반면 휘거나 굽혔을 때 쉽게 깨지는 단점이 있다.

생산기술연구원 나노·광융합기술그룹 윤창훈 박사 연구팀은 대표적 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’ 투명전극에 1064㎚ 파장대의 적외선 레이저를 조사하면 전도도가 약 1천 배 가량 높아지는 물리적 현상을 발견하고 이를 공정에 적용했다.

PEDOT:PSS 투명전극은 전도성이 있는 PEDOT을 PSS(Polystrene Sulfonate)가 전선 피복처럼 둘러싸고 있는 실뭉치 형태의 고분자 박막으로, 전도도를 높이기 위해서는 PSS를 최대한 녹여 PEDOT끼리 서로 연결되도록 해야 한다.

이 용액에 1,064㎚ 레이저를 쏠 경우 PEDOT이 열을 먼저 흡수해 온도가 올라가고, 이때 둘러싼 PSS가 전선 피복이 녹는 것처럼 녹으면서 PEDOT이 다량 노출돼 전도도가 높아지는 원리이다.

연구팀은 "이번 성과는 기존 화학적 방식에서 벗어나 레이저를 활용한 물리적 처리 방식으로 ITO 박막 수준의 전도도를 구현해낸 세계 최초의 사례"라고 밝혔다.

특히 이미 상용화되어 있는 PEDOT:PSS 용액과 1,064㎚ 파장대의 레이저 장비를 활용하는 후처리 공정이기 때문에 구현이 간편하고 전극 제작비용도 저렴하다.

아울러 PEDOT:PSS 용액은 국내 조달이 가능한 만큼 대일 의존도가 70%에 달하는 ITO 소재를 대체할 수 있어 투명전극 분야의 소재 자립화가 기대된다.

윤창훈 박사는 “유기발광다이오드(OLED)에 레이저를 쏘면 발광도가 떨어지는 현상을 연구하던 중 유사물질인 전도성 고분자에 레이저를 조사했더니 예상과 달리 전기 저항이 떨어지는 현상을 발견하게 된 것이 계기”였다며 “개발된 공정기술은 플렉시블 디스플레이뿐 아니라 사용자 맞춤형 웨어러블 기기, 폴더블 태양광 패널 제작 등에도 폭 넓게 활용 가능하다”고 설명했다.

이번 연구결과는 지난 9월 영국왕립화학회(Royal Society of chemistry, RSC)가 발행하는 재료 분야의 세계적 권위지 ‘머티리얼스 호라이즌스(Materials Horizons)’ 온라인 판에 게재됐다.

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