[아이뉴스24] 웨어러블·휴대용 기기 등에 적용…고유전율 확보 고분자 소재 개발
한국연구재단(이사장 이광복)은 안태규, 이지훈, 인인식 교수(한국교통대), 김세현 교수(영남대) 연구팀이 차세대 인쇄전자 소자에 사용할 수 있는 고유전율 고분자 소재를 개발했다고 20일 발표했다.
분극특성을 조절한 유무기 하이브리드 고분자인 폴리실세스퀴옥세인(Polysilsesquioxane, PSQ)을 절연층 소재로 적용해 ‘8’ 이상의 높은 유전상수 값은 물론이고 유연성과 전기·화학적 안정성을 갖는 전자소자를 구현했다.
국내 연구팀이 웨어러블, 휴대용 기기 등의 저전력 구동을 위한 유연 소자에 쓰일 수 있는 고유전율 고분자 소재를 내놓았다. [사진=한국교통대]
폴리실세스퀴옥세인(Polysilsesquioxane, PSQ)은 투명하고 경도가 높으며 열적 안정성이 우수해 여러 산업에 널리 쓰이고 있는 소재이다. 유전상수는 두 도체 사이에 유전체를 넣었을 경우와 넣지 않았을 경우에 대한 전기 용량의 비율이다.
‘3’ 정도의 유전상수 값을 갖는 저유전율 소재로 인식돼 온 PSQ의 유전율을 3배 가량 높이고 응답속도를 높인 것이다.
투명하고 경도가 높은 장점에도 불구하고 유전율이 낮아 구동을 위해서는 높은 전압이 필요한 PSQ의 실용성을 높이기 위한 노력이 있어왔다. 안정적 저전압 구동과 빠른 응답 속도를 모두 달성하는 데에는 어려움이 있었다.
연구팀은 사다리 형태의 유무기 하이브리드 고분자(Ladder- PSQ, LPSQ)의 미세 곁가지 분자 구조 제어를 통해 빠르고 강한 분극을 유도했다. 이를 기반으로 기존 고유전율을 가지는 고분자 소재의 한계로 지적 받아온 낮은 구동 안정성, 낮은 응답속도 문제를 해결했다.
현재는 무기재료만큼 높은 유전율을 확보하지 못했는데 연구팀은 고분자의 구조를 제어해 더 큰 분극을 유도하면서도 전기 안정성과 응답속도를 확보하기 위한 고분자 설계, 박막 코팅 공정 개발 등의 후속연구를 지속할 계획이다.
안태규 교수는 "현재 나와있는 웨어러블 기기나 폴더블폰이 유연하긴 한데 완전히 유연하지는 않다"며 "주요 원인 중 하나가 기기 속에 들어있는 구동소자가 유연하지 않기 때문"이라고 설명했다. 안 교수는 "구동소자를 유연하게 만드는 것이 핵심기술인데 구동소자는 전압이 가해져야 작동을 한다"며 "작동할 때의 전압을 구동전압이라고 부르는데 웨어러블 기기의 경우는 배터리가 전압을 가해준다"고 말했다.
이어 "유전율이 높을수록 전압구동을 낮출 수 있는데 보통의 고분자로 구동소자를 만들면 아주 유연하게 만들 수는 있다"고 전제한 뒤 "이 경우 유전율이 낮아 구동전압이 높고 또 고분자 자체가 전기적 안정성이 좋지 않다는 단점이 있다"고 부연했다.
안 교수는 "이번에 개발한 고분자 소재는 이러한 고분자의 단점을 모두 극복하고 고유전율을 가지면서 낮은 전압으로도 기기를 구동할 수 있다"며 "전기적으로도 매우 안정적이어서 지속해 사용해도 오작동 확률이 낮다"고 강조했다.
연구 성과(논문명: The Hidden Potential of Polysilsesquioxane for High-k: Analysis of the Origin of its Dielectric Nature and Practical Low-Voltage-Operating Applications beyond the Unit Device)는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 2월 9일자 표지논문으로 실렸다.
/세종=정종오 기자(ikokid@inews24.com)
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