전기가 통하는 전도성 플라스틱의 성능저하 원인 규명

Physical Review Letters 최신호(9/7) 게재

“금속처럼 전기 잘 통하는 고성능 플라스틱 물질 개발 가능성 열어”

지난 20여년 간 전 세계 물리학자들이 풀지 못한 전도성 플라스틱 물질의 전기 전도도를 제한하는 원인이 국내 연구진에 의해 규명돼 향후 금속처럼 전기가 잘 통하는 차세대 고성능 플라스틱 전자소자 개발에 한걸음 다가서게 되었다. 

광주과기원 히거센터 부센터장인 이광희 교수(52)와 솔라에너지연구소 강영호 박사(42)가 주도하고, 김나라 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원(도약연구)과 WCU육성사업의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Physical Review Letters’ 최신호(9월 7일자)에 게재되었다. (논문명: Role of interchain coupling in the metallic state of conducting polymers)

전도성 플라스틱 물질은 플라스틱처럼 가볍고 유연하며 가공하기 쉬우면서 저렴한 장점이 있으면서도, 금속처럼 전기가 잘 통하는 물질이다. 또한 가시광 영역에서 빛을 잘 투과하기 때문에 △광학재료 △전기발광소자(OLED 디스플레이) △접거나 말 수 있는 차세대 디스플레이 △가볍고 투명한 태양전지 △인공피부나 연골 같은 인공장기에 이르기까지 다양한 분야에 두루 활용할 수 있는 핵심 물질로 각광 받고 있다. 

그러나 잘 정렬된 결정구조를 갖는 금속과 달리, 전도성 플라스틱은 엉킨 실타래처럼 무질서한 구조를 갖기 때문에 전기 전도도가 낮아(금속 대비 최대 1%) 고성능 미래형 전자소자에 응용하기에는 한계가 있었다. 

또한 전도성 플라스틱 물질의 내부구조가 복잡하고 자유자재로 제어하기 어려워, ‘왜 전도도가 저하되는지’를 규명하기도 쉽지 않아 지난 20여년 간 논쟁이 끊이질 않았다. (*논쟁은 ‘고분자 사슬 간의 경계가 주요 원인’이라는 것과 ‘그레인 경계가 주된 원인’이라는 것)

이광희 교수 연구팀은 가장 보편적으로 사용하는 전도성 플라스틱(PEDOT:PSS) 물질의 구조를 선택적으로 조절*하여, 이 물질의 전도도가 저하되는 원인을 명확히 규명하였다. (*연구팀은 ‘고분자 사슬 간 구조변화’와 ‘그레인 경계 간 구조변화’를 조절하는데 성공)

이 교수팀은 다양한 용매처리(디메틸설폭사이드와 에틸렌글리콜)를 통해 전도성 플라스틱의 구조를 나노미터(고분자 사슬 간 구조변화, 10억분의 1미터)와 마이크로미터(그레인 경계 간 구조변화, 100만분의 1미터) 크기에서 자유롭게 조절하여 전기 전도도의 저하를 제한하는 요소가 바로 나노미터 크기의 사슬간의 상호작용에 있음을 밝혀냈다. 

연구팀의 이번 성과는 최소한 PEDOT:PSS 물질의 전도도를 저하시키는 원인에 대한 끊임없는 논쟁에 종지부를 찍었다. 

이광희 교수는 “이번 연구는 전도성 플라스틱의 전기 전도도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 초석을 다진 매우 의미 있는 연구성과로, 향후 유연하고 가벼운 고성능 미래형 플라스틱 전자소자의 구현을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.       <끝>