금속 대체할 차세대 플라스틱…전도성 고분자 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (200)

출처=www.printedelectronicsworld.com

우리가 일반적으로 알고 있는 플라스틱은 전기가 통하지 않는 물질입니다. 가볍고 단단하며 유연성이 뛰어나 우리 일상생활에서 다양하게 사용되고 있습니다.

전기가 통하는 물질은 주로 금속이나 세라믹 등 무겁고 딱딱한 소재인데요. 만약 플라스틱이 전기 전도성 물질이라면 컴퓨터와 TV 등도 가벼우면서도 유연하게 할 수 있겠죠?

오늘은 접는 스마트폰, 롤러블(rollable) TV, 생체인식 바이오 칩 등 첨단 분야에서 활약하고 있는 차세대 플라스틱 소재인 전도성 고분자에 대해 자세히 알아보겠습니다.

◆전기가 통하는 플라스틱, 전도성 고분자란?

출처=www.bme.gatech.edu

전도성 고분자(conductive polymer)는 금속 전도체와 같이 전기 전도율을 지닌 고분자입니다. 일반적인 유기 고분자와 달리 금속이나 반도체의 전기적, 자기적, 그리고 광학적 성질을 동시에 갖는 고분자를 뜻합니다.

우수한 전기 전도성과 가공성, 유연성, 용이한 합성 등의 장점이 있어 산업에서 다양하게 응용될 수 있습니다.

◆최초의 전도성 고분자 폴리아세틸렌

출처=http://www2.ece.ohio-state.edu/

최초의 전도성 고분자는 1977년 미국의 화학자 앨런 히거(Alan J. Heeger)와 앨런 맥더미드(Alan G, MacDiarmid), 일본인 시리카와 히데키(Shirakawa Hideki)에 의해 발견된 폴리아세틸렌(polyacetylene)입니다.

폴리아세틸렌 자체는 전기가 통하지 않는 부도체이지만, 요오드를 입히면 금속처럼 높은 전기 전도성을 갖게 됩니다. 이후 금속을 대체할 차세대 물질로 각광받으며 다양한 전도성 고분자의 합성과 응용에 관한 연구가 활발히 진행되기 시작했습니다.

◆전도성 고분자의 종류

대표적인 전도성 고분자 화학구조. 출처=광주과학기술원 신소재공학부 KIC 뉴스(News)

전도성 고분자는 위에서 언급한 폴리아세틸렌 외에도 25가지 정도가 있습니다.

폴리피롤(polypyrrole)과 폴리싸이오펜(polythiophene), PEDOT(poly 3,4-ethylene dioxythio-phene), 폴리아닐린(polyaniline) 등이 대표적입니다.

◆전도성 고분자의 활용

발광다이오드(LED) 이미지. 출처=www.zukt.com.au

전도성 고분자는 금속과 비슷한 수준의 전기 전도도를 나타내며, 딱딱한 금속에 비해 합성 및 가공이 용이하고 고유의 산화·환원 특성에 기인한 구조적 유연성 및 화학적 조성의 용이한 변화 등의 장점을 지니고 있습니다.

이러한 전도성 고분자의 장점으로 LED(발광다이오드·light emitting diodes), 트랜지스터(FETs), 태양전지, 그리고 바이오 센서와 같은 다양한 분야에 응용되고 있습니다.

◆전도성 플라스틱의 국내 연구 현황

출처=phys.org

국내에서도 전도성 플라스틱에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 2012년 이광희 광주과학기술원(GIST )교수는 아주대 교수와 공동으로 순수한 금속의 성질을 지니는 플라스틱인 ‘폴리아닐린’을 소개한 바 있습니다. 금속과 동일한 전기적인 물성을 보일 뿐만 아니라 전기 전도도 역시 기존 전도성 고분자에 비해 월등히 높은 것으로 나타났습니다.

또한 한국과학기술연구원(KIST)은 지난해 전도성 플라스틱을 기존보다 10배 더 투명하게 해주는 신소재를 만들었습니다. 이 신소재는 높은 전도성과 투명함을 동시에 지니고 있어 차세대 투명 유기전극으로 스마트폰과 TV, 각종 디스플레이에 활용되어 빛은 그대로 투과시키면서 전기를 잘 통하게 하는 역할을 할 수 있습니다.

출처=Design HMI

전도성 플라스틱이 금속을 완벽하게 대체할 수 있다면 가벼운 무게로 비용 절감은 물론, 가공성과 내열성, 내화학성 등이 크게 향상돼 다양한 산업분야에서 적극 활용될 수 있습니다. 특히 웨어러블(wearable) 전자기기와 전자 피부, 말거나 접을 수 있는 롤러블 디스플레이 등 첨단 정보기술(IT) 기기에 적용되어 얇고 가벼운 제품을 탄생시킬 수 있습니다.

특히 태양광을 전기로 바꾸는 광전변환 분야에서 실리콘을 대체할 혁신적인 신재료로 전도성 고분자를 사용하는 유기태양전지(Organic Solar Cell)가 개발되고 있습니다.

금속을 대체하여 첨단기술 발전에 기여하고 있는 플라스틱의 진화가 놀랍기만 한데요. 앞으로 또 어떤 모습으로 우리를 놀라게 할지 더욱 기대됩니다.

한화솔루션 블로거

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