잡아당겨도 찢어지지 않는 이온젤-신축성, 전기전도도, 내구성 모두 고려한 신규 이온젤 소재 제안

잡아당겨도 찢어지지 않는 이온젤-신축성, 전기전도도, 내구성 모두 고려한 신규 이온젤 소재 제안

 

등록일2021.05.17.

 

 

 

잡아당겨도(길이의 12배) 찢어지지 않는 이온젤 

신축성, 전기전도도, 내구성 모두 고려한 신규 이온젤 소재 제안

 

 

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤진환, 진성호 교수(부산대학교) 연구팀이 말거나 비틀어도, 원래 길이의 12배까지 잡아당겨도 작동하는 전계발광소자를 개발했다고 밝혔다.

 ○ 전기장을 가해주면 밝은 빛을 내는 전계발광소자는 디스플레이, 조명 등에 폭넓게 활용된다. 최근에는 금속전극이 아닌 플라스틱 전극을 이용해 휘거나 구부릴 수 있도록 만든 소자들이 많이 소개되고 있다. 

 

□ 웨어러블 디바이스 등에 대한 수요가 늘어나면서 하이드로젤처럼 유연한 연성물질을 전극으로 이용해 자유자재로 변형시키거나 잡아당길 수 있는 유연한 소자에 대한 연구도 활발하다. 

 ○ 흐르지 않는 고체상의 전해질로 물성조절이 비교적 쉬운 이온젤이 주목받지만 잘 찢어지고 전기전도도가 낮은 것이 단점이었다. 

 

□ 이에 부산대학교 연구팀은 탄탄한 구조의 젤 소재를 만든 후 전류를 잘 흐르게 하는 이온성 액체를 소재에 흡수시켜 유연성과 전기전도도를 모두 높인 이온젤을 만들었다. 

 ○ 핵심은 유연한 고분자 사슬과 질긴 고분자 사슬을 각각 그물구조로 만든 후, 이 둘을 서로 교차시킨 데 있다. 

 

□ 유연함과 기계적 강도(인장력, 인장성, 신축성)를 함께 높이고자 서로 성격이 다른 고분자를 접목한 것으로,  

 ○ 기존에는 주로 고분자 사슬 하나를 이용한 방식의 접근이었고 이같은 조성을 시도한 것은 이번 연구가 처음이다. 

 ○ 이렇게 만들어진 젤 소재는 마치 슬라임이나 고무줄처럼 유연 하면서도 잘 찢어지지 않도록 했다. 

 

□ 나아가 만들어진 젤 소재에 이온성 액체를 흡수시켜 투명하면서 전기가 잘 통하는 이온젤 전극을 만들었다. 

 ○ 실제 이렇게 만들어진 이온젤 전극은 빛을 내면서 자유롭게 형태를 바꾸거나 원래 길이의 12배까지 늘려도 작동할 수 있었다. 

 

□ 또 기존 이온전해질 보다 더 열에 안정적인 이온성 액체를 사용해 0도에서 200도의 넓은 온도구간에서도 소자가 잘 작동되었다.

 ○ 잘 찢어지지 않는 이온젤 소재는 자유자재로 형태를 바꿀 수 있는 디스플레이, 디지털 센서, 배터리 개발을 위한 소자의 실마리가 될 수 있을 것으로 전망된다.

 

□ 교육부와 한국연구재단이 추진하는 보호연구사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 5월 13일(온라인) 게재되었다. 

 

주요내용 설명

 

 <작성 : 부산대 윤진환 교수>

 

논문명

Super Stretchable and Durable Electroluminescent Devices based on Double-network Ionogels 

저널명 

Advanced Materials

키워드 

ionogels (이온젤), double-network structure (이중네트워크 구조), stretchable optoelectronics (신축성 광전소자), electroluminescent devices (전계발광소자)

저  자

윤진환 교수(교신저자/부산대), 진성호 교수(교신저자/부산대), 딘쑤언히엡 (Dihn Xuan Hiep) 연구원(제1저자/부산대), 버나드 티모시 (Bernard Timothy) 연구원(공저자/부산대), 박호열 연구원(공저자/부산대), 람뚜옛니 (Lam Tuyet Nhi) 연구원 (공저자/부산대), 김도완 박사 (공저자/부산대), 고연정 연구원 (공저자/부산대)/ 김종윤 연구원 (공저자/DGIST), 이윤구 교수 (공저자/ DGIST), 안성일 교수(공저자/부산대)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 전계발광소자(electroluminescent device)는 전기장을 가해주면 밝은 빛을 내는 장치로, 디스플레이, 조명 등으로 폭넓게 활용되고 있다. 최근 웨어러블 소자가 각광받는 가운데 휘거나 구부리는 작은 변형을 뛰어넘어 말거나 잡아당길 수 있는 고 변형이 가능한 전계발광소자의 개발에 많은 관심이 쏟아지고 있다. 

 ○ 고신축성 전계발광소자 개발의 가장 큰 문제는 고변형에도 안정적 이며 우수한 전기전도성을 유지하는 투명한 전극의 개발이다. 전극은 발광층에 전기에너지를 공급해주는 역할을 하며, 고변형에도 찢어 지거나 부서지지 않으며 높은 전기전도성을 유지해야만 한다.

 ○ 기존에는 가교된 그물구조의 고분자 사슬에 리튬염과 같은 이온전 해질을 흡수시켜 만든 신축성 있는 젤(Gel) 전극이 전계 발광소자에 활용되었다.

 ○ 하지만 기계적 물성이 약해 신축성이 최대 500~700%에 불과하고, 반복 적인 변형에 취약하다는 단점을 보였다. 낮은 전기전도성으로 높은 구동 전압이 필요했고, 신축 시에 휘도가 높지 않은 단점이 있었다. 

2. 연구내용 

 ○ 본 연구에서는 서로 다른 기계적 특성을 가지는 두 고분자 사슬을 각각 그물구조로 가교시키고, 이들을 교차시켜 이중 네트워크 구조의 하이드로젤을 제작하였다. 이들은 유연한 특성을 유지하면서도 원래 길이의 12배까지 늘려도 끊어지지 않고 탄성을 유지하였다.   

 ○ 우수한 기계적 물성에 더해 전기발광소자에 필요한 전기전도성을 부여하기 위해 하이드로젤에 포함되어 있는 물을 이온성 액체(ionic liquid)로 교체, 이온젤을 완성하였다. 이온젤에 포함된 이온들의 이동을 통해 우수한 전기전도성을 얻을 수 있었다. 

    ※ 이온성 액체 : 상온에서 액체로 존재하는 이온성 염으로 낮은 휘발성, 화학적·열적 안정성, 높은 전기 전도성 등 독특한 화학적, 물리적, 전기적 특성을 갖고 있어 신 개념의 매체로 주목받고 있다

 ○ 개발된 이온젤을 전극으로 사용하고, 전극 사이에 EL 나노입자가 포함된 발광층을 샌드위치 형태로 쌓아, 전계발광소자를 제작하였다. 이온젤 전극의 투명성과 우수한 전기전도성으로 인해 전계발광소자는 매우 높은 휘도를 나타내었다.    

     ※ EL 나노입자 : 전기에 의해 발광할 수 있는 반도체 나노입자로, 전기를 인가하자마자 밝은 세기의 빛을 빠르게 방출한다.

     ※ 휘도(luminance) : 빛을 내는 소자의 밝기를 나타내는 것을, 단위 면적에서 단위 입체각으로 발산하는 빛의 양을 의미한다.

 ○ 800%까지 잡아당겨진 상태에서도 647cd/m2의 높은 휘도를 낼 수 있었으며, 최대 1200%까지 잡아당겨도 200cd/m2 이상의 밝은 빛을 내며 작동하였다. 또 이온젤의 유연한 특성 덕분에 전계발광소자를 여러 번 말거나 비틀어도 잘 작동이 됨을 확인하였다. 

 ○ 또한 1,000번 이상 잡아당기나 놓음을 반복해도 휘도의 변화 없이 전계발광소자의 작동이 확인되었으며, 이온성 액체와 젤의 높은 안정성으로 인해 0도에서 200도까지의 넓은 온도 구간에서도 전계발광소자는 정상적으로 작동하였다. 이런 기계적, 온도 안정성은 기존의 소자에서는 보고되지 않은 우수한 특성이라고 할 수 있다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 부드럽게 신축성이 좋은 젤의 특성과 전기전도성 및 안정성이 우수한 이온성 액체가 포함된 이온젤 전극을 개발하였다. 젤의 기계적 특성을 높일 수 있는 원리의 이해를 통해, 결과적으로 세계 최고 수준의 신축이 가능한 전계발광소자를 개발할 수 있었다.

 ○ 개발된 이온젤 전극은 부드럽지만 잘 찢어지지 않는 기계적 특성과 우수한 전기전도성을 바탕으로, 극한의 변형이 가능한 디스플레이, 디지털 센서, 배터리 등의 소자 개발에 활용되어 웨어러블 장치의 개발을 촉진할 수 있을 것으로 평가되어 진다.

 

 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림 1) 개발된 이온젤 전극을 포함하는 전계발광소자

소자를 작동시켜 발광시킨 상태에서 최대 1200%까지 잡아당겨도 작동이 가능함.

부드러우면서도 잘 찢어지지 않는 특성의 이온젤 전극을 개발하여, 원래 길이의 12배까지 잡아당겨도 전계발광소자가 잘 작동함.

그림설명 및 그림제공 : 부산대 윤진환 교수 

 

 

 

 

 

 

 

(그림2) 개발된 이온젤 전극을 포함하는 전계발광소자

접거나, 여러번 말거나 비틀어도 휘도를 유지하는 소자의 작동 사진

부드러운 연성소재인 이온젤을 전극으로 사용하기 때문에, 위와 같은 변형에도 전계발광소자가 잘 작동하는 것을 확인할 수 있음

그림설명 및 그림제공 : 부산대 윤진환 교수 

 

 

연구 이야기

 

 

                                              <작성 : 부산대 윤진환 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

고분자 젤은 많은 양의 물을 머금고 있어, 젤리와 같이 부드러운 특성을 가지며 인체에 무해하게 만들 수 있어, 화장품, 연고, 마스크팩과 같은 제품으로 우리 생활에서 활용되고 있다. 이런 젤의 부드러운 특성을 전자제품으로는 응용할 수 없을까 많은 연구자들이 관심을 가지고 있지만, 잘 부서지고 변형이 어려운 특성으로 인해 쉽게 사용하기가 어려웠다. 

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

부드러우면서도 질긴 특성을 가지게 할 수 없을까 고민하던 중, 부드러운 특성을 가지는 고분자 사슬과 질긴 특성을 가지는 고분자 사슬을 각각 교차시켜 각각의 장점을 모두 가지는 특성을 부여할 수 있었다. 낮은 전기 전도성은 이온성 액체를 흡수시켜 극복할 수 있었다. 

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 

기존의 알려진 신축성 전계발광소자는 전극의 문제로 인해 5배에서 7배이상 잡아당기거나 변형을 많이 시키면 전도성이 급격히 떨어지고 소재가 파괴되는 문제점을 가지고 있었다. 하지만 이온젤을 전극으로 사용하여 자유자재로 형태를 바꿀 수 있고, 12배까지 잡아당겨도 문제없이 작동하는 소자를 개발 할 수 있었다. 1000번 이상 잡아당기고 놓는 것을 반복해도 성능에 문제가 없으며, 0도에서 200도 범위에서 안정적인 작동 특성을 보였다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

부드럽지만 잘 찢어지지 않고, 전기를 잘 통할 수 있는 이온젤을 전극으로 사용한다면 자유자재로 형태를 바꿀 수 있는 디스플레이, 디지털 센서, 배터리 등의 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로  기대된다.

 

 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 

처음 개발한 소재는 3배 정도 잡아 댕기면 잘 작동을 하지 않았다. 기존에 보고된 세계최고기록 경신을 목표에 두고, 화학구조 디자인을 조금씩 바꿔가며 연구에 매진해 마침내 우수한 성과를 달성할 수 있었다.