대량생산이 가능한 고전도성 유기투명전극소재 개발- 전도성 고분자의 응용 확대 기대

대량생산이 가능한 고전도성 유기투명전극소재 개발- 전도성 고분자의 응용 확대 기대

 

작성일 : 2017. 1. 6. 융합기술과

 

대량생산이 가능한 고전도성 유기투명전극소재 개발
- 전도성 고분자의 응용 확대 기대 -
 
        

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 초정밀나노입자공정기술로 기존보다 전기전도도가 2배 높은 전도성고분자 용액을 제조하고 이를 이용한 직접인쇄공정을 통해 고효율의 유연소자를 개발했다고 밝혔다. 

ㅇ 전도성 고분자는 가격 경쟁력, 유연성, 공정성 등의 장점을 가지고 있어 투명 전극 소재로 주목 받고 있으나, 대표적 투명전극 소재인 ITO (indium tin oxide)에 비해 낮은 전기전도도로 적용에 어려움을 겪고 있다.
    * 전도성고분자 : 반도체 이상(10-7 S/cm)의 전기전도도를 가지는 고분자

ㅇ 본 연구에서는 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 제시하였다.

□ 김중현 교수(연세대학교)·노용영 교수(동국대학교) 연구팀은 미래창조과학부 나노·소재기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, 영향력 지수 18.96)* 에 게재 및 Inside Cover Story 논문으로 선정되었다.
   * 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 誌 : 독일 Wiley-VCH 출판사에 의해 발행되는 전 세계 물리, 화학분야(Chemistry, Physical) 학술지 중 139개 중 2위에 해당하는 재료과학 분야의 세계적 권위지.

 ○ 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Purification of PEDOT:PSS by Ultrafiltration for Highly Conductive Transparent Electrode of All-Printed Organic Devices
   - 저자 정보 : 김중현 교수(교신저자, 연세대학교), 노용영 교수(공동 교신저자, 동국대학교), 김소연 박사과정(제 1저자, 연세대학교), Bernardi Sanyoto(공동 1저자, 동국대학교)

 □ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 1. 연구의 필요성
  ○ 전도성고분자는 값이 저렴하고(reasonable cost), 유연하며(flexibility), 공정의 편리함(processability) 등의 여러 장점들을 가져 기존의 ITO(indium tin oxide)를 대체하기 위한 전도성 소재로 주목받고 있다.
  ○ 현재 전세계적으로 가장 상용화된 고전도성고분자 PEDOT:PSS로 알려진 clevios PH1000은 1000S/cm의 전기 전도도를 구현한다.
  ○ 하지만 clevios PH1000마저도 ITO보다 현저히 낮은 전기전도도를 가지기 때문에 이보다 높은 성능을 구현하기가 까다로워 경쟁력을 확보하고 상용화하는데 어려움을 겪고 있다.
  ○ 그 동안 전 세계적으로 많은 연구진들이 전도성고분자의 전기적 물성을 향상시키기 위한 공정 연구를 개발해 왔다. 그러나 대부분의 공정은 용액상 공정이 아닌 전도성고분자 박막을 형성한 후 극성용매나 황산 수용액과 같은 용액에 담그거나(dipping), 도포하는(spraying, spin-coating) 방식이다. 이는 공정의 편리성이 떨어질 뿐만 아니라 처리과정에서 전도성 박막에 결함(defect)이 생기는 우려 등의 한계점을 가져 효과적인 해결책이 절실히 요구되는 상황이다.
 
Heraeus 社 발표자료 발췌_2014 대형터치패널상용화를 위한 기술이슈 및 ITO대체필름기술 세미나

 2. 발견 원리
  ○ PEDOT:PSS의 제조에 1차 도펀트 및 분산제로써 첨가되는 PSSA는 절연체로써 전도성고분자 박막의 높은 전도도 값을 방해하는 역할을 한다. 이러한 PSSA는 PEDOT과 결합되어진 것과 결합되어지지 않은 것으로 구분되어진다.
  ○ PEDOT이 결합되어지지 않은 PSSA(free-PSSA)는 수상에 완전히 녹기 때문에 막(membrane)을 통과해 제거될 수 있고, 물에 녹지 않는 성질을 가진 PEDOT이 결합된 PSSA는 막을 통과하지 못해 잔류하게 된다.
  ○ 이러한 막을 이용한 막 분리 공정은 합성 시 첨가되는 free-PSSA 뿐만 아니라, 반응 후 남아있는 촉매 및 단량체(monomer) 등의 반응부산물을 함께 제거할 수 있어 최종적으로 기존보다 더 높은 전도도를 구현 가능한 전도성고분자 입자 용액을 제조할 수 있었다.

 3. 연구 성과
  ○ 약 2000 S/cm 의 높은 전도도를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 용액상으로 밝힌 세계 최초의 연구이며, 이를 이용해 이렇게 제조된 전도성 고분자 용액은 안정성이 높은 용액으로 존재하기 때문에 연속식 인쇄공정을 통한 유기전계효과트랜지스터에 적용되어 유연한 전자소재 개발의 한계를 극복했다고 볼 수 있다.

□ 김중현 교수는“본 연구에서 제조된 고전도성 유기용액소재는 직접패터닝(Direct Patterning)이 가능하고 연속생산공정(Roll to Roll Process)으로 유연투명전극을 대량생산할 수 있어 향후 태양전지, 디스플레이 등 다양한 전자소재 제조에 응용이 가능할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요
             2. 연구이야기
             3. 그림설명
             4. 연구자 이력사항

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 ○ 전도성 고분자는 유연하고(flexible) 잘 휘어지며(bendable) 인쇄가 가능한(printable) 미래형 전자소자의 응용소재로 각광받고 있다. 하지만 전도성 고분자는 기존에 사용되어지는 금속산화물 소재에 비해 낮은 전기전도도로 효율이 낮아 소자 적용에 어려움을 겪고 있다.
 ○ 따라서 전도성고분자의 전기적 물성을 향상시키기 위한 여러 연구들이 행해지고 있다. 현재까지 알려진 전도성고분자의 전기전도도를 향상시키는 공정은 대부분 박막상태의 후처리공정으로, 극성용매나 황산 수용액과 같은 용액에 담그거나, 도포하는 방식이다. 이는 필름상 처리과정에서 필름 결함의 문제와 공정의 한계를 가진다.
 2. 연구내용
 ○ 연구팀은 이 연구를 통하여 약 2000 S/cm 의 높은 전도도를 구현할 수 있는 전도성 고분자를 안정성이 높은 용액상태로 제조하였다.
 ○ 이와 같은 전도성고분자 나노입자 용액은 연속식 인쇄공정을 통해 유기전계효과트랜지스터에 적용될 수 있었고, 이는 유연한 전자소재 개발의 한계를 극복했다고 볼 수 있다.
3. 기대효과
 ○ 본 연구결과는 높은 전도도를 가지는 전도성고분자 용액 제조 기술로 향후 여러 플렉서블 전자소재(태양전지, 디스플레이, 트랜지스터 등) 제조에 응용될 수 있는 잠재성을 보여줄 수 있을 것이다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

유연성을 핵심기술로 내세우는 미래형 전자소자를 위해서는 기존의 금속산화물 소재는 한계점을 가진다. 이를 개선할 수 있는 소재로 용액공정이 가능한 전도성 고분자가 각광받고 있지만, 금속산화물보다 낮은 전기전도도와 안정성을 가진다는 한계가 있다. 대표적인 전도성 고분자, PEDOT:PSS에서 PEDOT과 결합하지 않은 PSS를 막(membrane)을 통해 분리하면, 전기전도성을 가지는 PEDOT은 그대로 유지하고 절연체인 PSS를 제거하는 효과를 얻어 높은 전도도를 얻을 수 있을 것이라고 생각했다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

본 연구실은 오래전부터 나노입자 개념을 도입하여 전도성 고분자를 합성하고 이에 대한 메커니즘에 대한 연구를 진행하고 있다. 또한 고차원 구조의 나노입자의 기능성 향상에 관한 연구를 꾸준히 수행하고 있다. 나노 사이즈의 전도성 고분자를 수상에서 제조하기 때문에 친환경적이고 용액상의 공정이 가능하다는 장점이 있다. 용액공정이라는 장점을 후처리공정에도 적용시켜 연속공정을 가능하게 하는 연구를 수행하면서, 고효율의 미래형 전자소자에 적용을 구현할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구실은 앞서 언급했듯이, 주로 나노입자 제조 및 기능성 향상에 대한 연구를 수행해왔다. 따라서 처음 우수한 물성의 전도성 고분자를 제조하였을 때, 이에 적합한 응용 연구를 찾는 것에 대해 많은 고민이 필요했다. 동국대와 공동연구를 통해 여러 가지의 전자 소자에 적용을 해보면서, 제조된 전도성 고분자 용액의 장점을 강조할 수 있는 적합한 소자를 찾고 응용할 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 후처리 공정은 필름상의 공정이 많이 연구되었다면, 이번 연구는 용액상의 후처리로 연속공정(Roll to Roll Process)을 가능하게 하였다. 또한, 필름상의 후처리로 발생할 수 있는 결함들을 최소화 할 수 있다는 장점을 가져 전자소자의 적용에 용이하다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

이 연구를 토대로 전도성 고분자의 물성을 좀 더 향상시켜, 금속 산화물을 대체하는 미래형 유기 전자소자의 주된 응용소재로 자리매김하고자 하는 목표를 가지고 있다. 향후에는 이번 연구에서 적용한 유기전계효과트랜지스터뿐만 아니라, 다양한 플렉서블 전자소자에 적용해보는 연구를 수행할 계획이다.

그 림 설 명

                

       
그림 1. 전도성고분자 용액 공정 개념도 및 전기적 물성 향상 결과

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

   그림 2. 본연구의 내용이 게재된 Advanced Material Inside Cover Story 사진 (별도 파일 제공)

김중현 교수[교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                         
 □ 소 속 : 연세대학교                           
 

2. 경력사항
 □ 1987 ~ 1989 : Morton Thiokol, Inc. 중앙연구소 선임연구원
 □ 1989 ~ 1991 : Morton International 중앙연구소 책임연구원
 □ 1991 ~ 현재 : 연세대학교 화학공학과 교수
 □ 2009 ~ 2010 : 교육과학기술부 제 2차관
 □ 2010 ~ 현재 : 한국공학한림원 정회원

3. 전문 분야 정보
 □ 유기 정밀소재 (기능성 초미립자 소재 및 공정 연구)

4. 연구지원정보 
 □ 2013년 ~ 2016년 : 미래창조과학부 미래유망파이오니어사업
 □ 2014년 ~ 현재 : 미래창조과학부 나노․소재기술개발사업

노용영 교수[공동교신저자] 이력사항

1. 인적사항                                     
 □ 소 속 : 동국대학교                          
 

2. 경력사항
 □ 2008~  2009 : 한국전자통신연구원(ETRI) 선임연구원
 □ 2009 ~ 2013 : 국립한밭대학교 화학생명공학과 조교수
 □ 2013 ~ 현재 : 동국대학교 융합에너지신소재공학과 부교수

3. 전문 분야 정보
 □ 유기전자공학 (유기전자 및 인쇄전자용 소재, 소자 연구)

4. 연구지원정보 
 □ 2014년 ~ 현재 : 미래창조과학부 나노․소재기술개발사업