[대구=뉴시스] 박준 기자 = 경북대학교 금속재료공학과 박귀일 교수팀은 샌드위치 구조의 압전폴리머로 성능지속성이 향상된 플렉서블 압전 소자를 개발했다고 13일 밝혔다.
이번 개발된 플랙서블 압전 소자는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 고분자 압전층(PVDF) 사이에 삽입된 다층구조의 압전폴리머 필름을 도입해 장기간 성능이 지속되며 전압과 전류가 크게 향상된 새로운 형태의 소자다.
유연한 압전 소자 제작을 위해 기존에는 압전 층으로 PVDF 계열의 고분자를 활용했다.
하지만 PVDF 계열의 고분자는 낮은 유리전이온도로 인해 상온에서 쉽게 분자 결정 구조가 변화하고 세라믹 소재보다 낮은 압전 성능을 보이는 치명적인 단점이 있다.
박 교수팀은 이에 대한 해결책으로 샌드위치 구조의 압전 필름을 압전 소자에 도입했다.
이 구조는 위와 아래 PVDF 사이에 전도성 고분자인 PEDOT:PSS를 삽입한 형태로 PEDOT:PSS의 전기적 성질이 PVDF와의 계면에서 전하의 고갈과 축적을 유도한다.
그 결과 PVDF 고분자가 재배열되면서 유전분극(물질 내부의 전기 쌍극자가 배열되는 현상)이 극대화돼 압전 성능이 크게 향상됐다.
개발된 압전 소자는 기존 PVDF 단일 층으로 제작된 소자보다 전압이 3.73배, 전류가 4.64배 향상됐다. 1만5000회 반복 굽힘에도 성능의 저하가 없었으며 약 6개월 간 안정적인 출력 성능을 유지하는 것으로 확인됐다.
또 밀도 함수 이론(density function theory) 시뮬레이션을 활용해 PEDOT:PSS와 PVDF사이의 분자 간 상호작용에서 고전압을 인가하는 과정(폴링공정, poling process)에 고분자 사슬의 재배열이 진행되는 것을 확인했다.
박 교수는 "이번 연구를 통해 전도성 고분자를 도입해 장기간 지속적이면서 성능이 향상된 압전 소자 제작 기술을 확보했다"며 "고성능·고효율 고분자 전자 소재 및 유연한 에너지 소자 연구에 혁신적인 적층 구조를 제안한다"고 밝혔다.
한편 연구 결과는 재료 분야 세계적 과학저널인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 2월19일자에 발표됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 해외우수과학자유치사업의 지원을 받아 수행됐으며 교신저자는 박귀일 교수, 제 1저자는 같은 학과 장학수, 김광현 석사과정생이다.
◎공감언론 뉴시스 [email protected]
