신축성, 전기전도도, 내구성 모두 고려한 신규 이온젤 소재 제안
신축성, 전기전도도, 내구성 모두 고려한 신규 이온젤 소재 제안
  • 정이레 기자
  • 승인 2021.05.31 15:17
  • 댓글 0
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부산대학교 윤진환, 진성호 교수

전계발광소자(electroluminescent device)는 전기장을 가해주면 밝은 빛을 내는 장치로, 디스플레이, 조명 등으로 폭넓게 활용되고 있다. 최근 웨어러블 소자가 주목받는 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 안정적이며 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 활용되었다.

이러한 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 연구자가 관심이 있지만, 잘 부서지고 변형이 어려운 특성으로 인해 쉽게 사용하기가 어려웠다.

 

이에 윤진환, 진성호 교수(부산대학교) 연구팀은 말거나 비틀어도, 원래 길이의 12배까지 잡아당겨도 작동하는 전계발광소자를 개발했다.

연구팀은 서로 다른 기계적 특성을 가지는 두 고분자 사슬을 각각 그물구조로 가교시키고, 이들을 교차시켜 이중네트워크 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 포함된 물을 이온성 액체(ionic liquid)로 교체, 이온젤을 완성하였다. 이온젤에 포함된 이온들의 이동을 통해 우수한 전기전도성을 얻을 수 있었다.

 

■ 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]
■ 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]

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

 

■ 개발된 이온젤 전극을 포함하는 전계발광소자 ■접거나, 여러번 말거나 비틀어도 휘도를 유지하는 소자의 작동 사진부드러운 연성소재인 이온젤을 전극으로 사용하기 때문에, 위와 같은 변형에도 전계발광소자가 잘 작동하는 것을 확인할 수 있음[그림설명 및 그림제공 : 부산대 윤진환 교수]
■ 개발된 이온젤 전극을 포함하는 전계발광소자 ■접거나, 여러번 말거나 비틀어도 휘도를 유지하는 소자의 작동 사진부드러운 연성소재인 이온젤을 전극으로 사용하기 때문에, 위와 같은 변형에도 전계발광소자가 잘 작동하는 것을 확인할 수 있음[그림설명 및 그림제공 : 부산대 윤진환 교수]

실제 이렇게 만들어진 이온젤 소재는 자유자재로 형태를 바꿀 수 있는 디스플레이, 디지털 센서, 배터리 개발을 위한 소자의 실마리가 될 수 있을 것으로 전망된다.

이번 연구의 성과는 소재 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’513(온라인) 게재되었다.

 

 

 

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