부산대학교, 잡아당겨도 찢어지지 않는 이온젤 개발 :: 전체

한국연구재단은 부산대학교 윤진환, 진성호 교수 연구팀이 말거나 비틀어도, 원래 길이의 12배까지 잡아당겨도 작동하는 전계발광소자를 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 자유자재로 형태를 바꿀 수 있는 디스플레이, 디지털 센서, 배터리 개발을 위한 소자의 실마리가 될 수 있을 것으로 전망된다.

기술 개요
전계발광소자는 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 고변형이 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 찢어지거나 부서지지 않으며 높은 전기전도성을 유지해야만 한다.
기존에는 가교된 그물구조의 고분자 사슬에 리튬염과 같은 이온전 해질을 흡수시켜 만든 신축성 있는 젤(Gel) 전극이 전계 발광소자에 활용됐다.

그 중 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, 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.

연구 내용
본 연구에서는 서로 다른 기계적인 특성을 가지는 두 고분자 사슬을 각각 그물구조로 가교시키고, 이들을 교차시켜 이중 네트워크 구조의 하이드로젤을 제작했다. 이들은 유연한 특성을 유지하면서도 원래 길이의 12배까지 늘려도 끊어지지 않고 탄성을 유지했다.

우수한 기계적 물성에 더해 전기발광소자에 필요한 전기전도성을 부여하기 위해 하이드로젤에 포함돼 있는 물을 이온성 액체로 교체, 이온젤을 완성했다. 이온젤에 포함된 이온들의 이동을 통해 우수한 전기전도성을 얻을 수 있었다.

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

800%까지 잡아당겨진 상태에서도 647㏅/㎡의 높은 휘도를 낼 수 있었으며, 최대 1,200%까지 잡아당겨도 200㏅/㎡ 이상의 밝은 빛을 내며 작동했다. 또한 이온젤의 유연한 특성 덕분에 전계발광소자를 여러 번 말거나 비틀어도 정상적으로 작동했다.

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

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

이번에 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 전망된다.