▲ (左부터) 전도성고분자 용액의 정제 공정을 통해 불순물을 제거하고 이를 통해 전기적 물성(전기전도도)이 약 2배 가량(1100→2000 S/cm) 향상됐다. 그래프를 통해 전기전도도 상승 후에도 안정한 상태의 용액으로 계속해서 유지되는 것을 볼 수 있다..

국내 연구진이 기존 상용화된 전도성고분자보다 2배 높은 전기전도도를 가지며 이를 통해 유연투명전극의 대량생산을 가능케 하는 고전도성 유기용액 소재 개발에 성공했다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김중현 연세대 교수·노용영 동국대 교수 연구팀이 초정밀나노입자공정기술로 기존보다 전기전도도가 2배 높은 전도성고분자 용액을 제조하고 이를 이용한 직접인쇄공정을 통해 고효율의 유연소자를 개발했다고 지난5일 밝혔다.

전도성 고분자는 가격 경쟁력, 유연성, 공정성 등의 장점을 가지고 있어 투명 전극 소재로 주목 받고 있으나, 대표적 투명전극 소재인 ITO(인듐주석산화물)에 비해 낮은 전기전도도로 적용에 어려움을 겪고 있다.

가장 상용화된 고전도성고분자인 ‘PEDOT:PSS(clevios PH1000)’도 1,000S/cm의 전기 전도도를 구현해 ITO보다는 현저히 낮은 전기전도도를 가지고 있다.

전도성고분자의 전기적 물성을 향상시키기 위한 여러 연구들이 행해지고 있지만 전도성고분자의 전기전도도를 향상시키는 공정은 대부분 박막상태의 후처리공정으로, 극성용매나 황산 수용액과 같은 용액에 담그거나, 도포하는 방식이어서서 필름 결함의 문제와 공정의 한계를 가졌다.

이에 국내 연구진은 PEDOT:PSS의 제조에 1차 도펀트 및 분산제로써 첨가되는 PSSA를 이용했다. PEDOT이 결합하지 않은 free-PSSA를 제거해 전도성을 가지는 DOT은 그대로 유지하고 절연체인 PSS를 제거하는 효과를 얻어 높은 전도도를 얻은 것이다.

또한 기존의 후처리 공정들이 필름상의 공정으로 많이 연구됐지만 이번 연구는 용액상의 이번 연구는 용액상의 후처리로 연속공정(Roll to Roll Process)을 가능하게 했으며 필름상의 후처리로 발생할 수 있는 결함들을 최소화 한다.

만들어진 전도성고분자 나노입자 용액은 기존물성(1,000 S/cm)을 뛰어 넘는 높은 전기전도도(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 제시했다.

김중현 교수는“본 연구에서 제조된 고전도성 유기용액소재는 직접패터닝이 가능하고 연속생산공정으로 유연투명전극을 대량생산할 수 있어 향후 태양전지, 디스플레이 등 다양한 전자소재 제조에 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이번 연구는 미래부 나노·소재기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 게재 및 Inside Cover Story 논문으로 선정됐다.