■ 전도성 고분자란

최근까지도 고분자는 절연체로 간주돼 주로 전선의 피복제로 사용돼 왔다. 이러한 고분자에 금속과 같이 전기를 전도할 수 있는 기능을 가진 물질을 전도성 고분자라 한다. 즉, 금속의 전기적, 자기적 성질을 그대로 가지면서 고분자와 같이 가볍고, 기계적 성질 및 뛰어난 가공성을 가진 물질이다.

이 물질들은 도핑 후에 고분자 기본골격(polymer backbone)을 따라 π-공액(π-conjugation)과 전자가 비편재화(de-localize) 된 구조를 갖는 특이한 형태의 고분자이다. <그림1>에는 대표적인 전도성 고분자 물질을 수록했다. 이들은 종래의 3차원적인 무기물 금속과는 다르게 전자나 정공(hole)이 아닌 부분적인 하전을 띤 입자들(soliton, ploaron, bipolaron)의 집단 운동에 의해 1차원적인 전기전도를 나타내며, 어느 도핑 영역에서는 전기적으로 금속의 성질을 보이나 자기적으로는 자유전자가 존재한지 않는 기존의 물리학으로는 설명하기 어려운 현상을 보인다.

▲ <그림 1> 전도성 고분자의 종류.

■ 전도성 폴리머의 개발역사

일반적으로 플라스틱은 전기를 흘리지 못하는 것으로 간주 됐으나 폴리아닐린(polyaniline, 1968년), 폴리티아질(polythiazyl, 1973)등이 발견되면서 이와 같은 개념이 도전 받게 됐다. 전도성 고분자의 본격적인 연구는 1977년 도핑된 폴리아세틸렌(polyacetylene)의 전기전도도가 약 5,000S/cm의 값을 나타낸다는 맥더미드와 그의 공동연구자들의 보고 이후 본격적으로 연구 개발되기 시작했다. 이와 같은 공로로 맥더미드, 히거와 시라카와 3인은 2000년 노벨화학상을 공동 수상했다.

그러나 폴리에틸렌은 공기 중에서 불안정해 보다 안정한 물질을 연구한 결과 폴리아세틸렌구조와 유사한 폴리피롤(polypyrrole)과 폴리싸이오펜(polythiophene)이 개발돼 연구됐으며, 1984년 맥더미드 등에 의해 폴리아닐린의 protonic acid doping이 보고된 이후 이에 대한 연구역시 활발히 진행되고 있다. 현재 상업적으로 이용되고 있는 전도성 고분자 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리싸이오펜 이 3가지 물질과 이들의 유도체 물질들이다.

▲ <표1> 전도성 고분자의 응용분야.

■ 전도성 폴리머의 사용현황

전도성고분자의 응용분야는 <표1>에 수록했다. 이처럼 다양한 응용분야 중 현재 사용하고 있는 분야는 다음과 같다.

◇ 대전방지 필름

전도성 고분자를 코팅을 해 사용하는 대전방지 필름으로 보호필름과 반도체 운송용 트레이 등에 사용되고 있다.

◇ 캐패시터

함침범을 사용해 만들며, 알루미늄 캐패시터에는 PEDOT을 사용하고(PEDOT의 모노머인 EDFOT를 산화 중합해 제조), 폴리피롤 컨덴서와, Ta-capacitor 제작에 사용되고 있다.

◇ OLED

전도성 폴리머는 OLED분야에서 정공 전달물질로 사용되고 있다.

플렉시블 태양전지·디스플레이 생산 필수 조새

낮은 용해도 한계 극복 관건, 소수 제품만 상용화

▲ 연세대 김은경, 김종학 교수가 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용, 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다..

■ 전도성 폴리머의 시장 현황

전도성 고분자 중 세계시장의 90%을 점유하고 있는 물질은 폴리싸이오펜의 유도체인 PEDOT(poly(3, 4-ethylenedioxy thiophene))에 폴리스타일렌설포네이트(PSS, polystyrenesulfonate)를 도핑한 PEDOT-PSS이다. 일본의 루비콘-칼리트 사에서는 폴리피롤을 이용한 Ta-capacitor를 제작 판매하고 있다.

▲ 코오롱글로텍이 전도성 폴리머를 사용해 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키는 저항발열메커니즘을 섬유상에 구현시켜 개발한 섬유소재 HeaTexⓇ.

■ 전도성 폴리머의 미래

<표 1>에 나타낸바와 같이 전도성 고분자는 매우 다양한 응용성을 나타낸다. 그러나 전도성 고분자 물질을 사용하는데 가장 큰 제한은 용매에 잘 용해되지 않는다는 점이다. 현재 세계시장을 거의 점유하고 있는 PEDOT-PSS 역시 용액이 아닌 수분산액 형태(water-base type dispersion)이고, 루비콘-칼리트 사의 폴리피롤 역시 분산액(mek용액에 분산)이다. 보다 넓게 사용하기 위해서는 가용성 전도성 고분자의 개발이 시급하다. 가용성 전도성 고분자 물질이 개발되면 분산액을 사용했을 때 보다 훨씬 다양한 분야에 응용이 가능하다. 예를 들면 자외선을 이용해 고경도 코팅(UV-hardcoating)을 할 경우, 정전기가 발생해 전자제품에 사용하기 어려워지나 코팅 레진과 잘 혼합 될 수 있는 용제형 전도성 고분자 용액을 혼합해 사용할 경우 정전기 발생을 예방할 수 있다.

전도성 고분자는 산화-환원이 손쉽게 일어날 수 있는 물질이다. 이를 사용해 인류가 가장 시급하게 해결해야 하는 분야인 무공해 에너지 저장문제를 해결할 수 있다. 즉 태양광 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜주는 유기 태양전지에 사용가능하며, 2차전지 전극 소재, 전해콘덴서 전극소재 등에 사용이 가능하다.

더불어 전도성 폴리머는 태양광 및 풍력 발전의 단점인 24시간 전기 생산이 불가능 하다는 문제를 해결 할 수 있는 단서를 제공한다. 바로 바다의 파도로부터 에너지를 생산할 수 있는 파력발전이다. 전도성 폴리머를 섬유화해 24시간 파도기 치는 바다에 담가 놓으면 파도에 따라 전도성 폴리머 섬유가 흔들리고 이에 따른 산화환원으로 전기가 발생한다. 특히 이 기술은 다양한 규모로 제작이 가능해 바닷가 근처에 있는 다양한 수요처에 맞춤 제작이 가능하다는 장점도 갖는다.

전도성 폴리머는 아직 그 영역이 명확히 구분되지 않는 신소재로 지금까지 알려지지 않는 다양한 사용처가 짐작되는 가능성이 큰 소재다. 이러한 전도성 폴리머를 외국 기술 및 제품의 도입이 아닌 국내 기술로 개발·상용화 해 소재강국 대한민국을 만들기 위해 국내 산·학·연 관계자들의 지속적인 연구개발이 필요하다.

TIP

최초로 트랜스 형태의 폴리아세틸렌을 합성한 사람은 한국인 변형직 박사다. 변박사가 일본에서 트랜스 형태의 폴리아세틸렌을 합성했으나 더 이상 연구를 진행하지 못하고 귀국했고 그의 연구를 이어받은 Shirakawa가 결국 노벨상을 받게 됐다.