전도성 고분자의 실용성(OLED, 유기태양전지, 유기반도체)

앨런 맥디아미드, 히데키 시라카와, 앨런 히거 등 3명의 과학자는 전기가 통하는 플라스틱을 1977년에 발명하고, 그 후 23년간 그것의 유용성을 입증하는데 혼신의 노력을 함으로써 2000년에 노벨화학상을 수상했다. 그 후 이들은 전기가 통하는 플라스틱(전도성 플라스틱: Conductive Polymers) 분야를 화학과 물리학에 있어 매우 중요한 연구분야가 되도록 발전시켰으며, 이후 실용화 성공사례가 속출돼 소위 ‘플라스틱 전자시대’가 개막하는데 결정적인 역할을 했다.
본지에서는 (사)한국과학문화진흥회에서 게재한 강박광 교수의 ‘전기가 통하는 플라스틱의 발명으로 노벨상을 수상한 과학자들’이라는 자료를 재조명해봤다.
* 자료. (사)한국과학문화진흥회

전도성 고분자의 기능을 이용한 실용화 추진 사례
전도성 고분자의 중요한 용도개발 사례를 살펴보면 다음과 같은 3가지 분야의 용도를 통해 미래를 열어 갈 혁신적인 신 재료로 부각되고 있다.
1. 전기를 통하면 뜨겁게 작열하지 않아도 빛을 발하는 전계발광(Electro-luminescence)분야의 혁신적 신 재료로 사용돼 OLED-TV 등 새로운 디스플레이나 소요전력을 파격적으로 줄이는 LED조명 시대를 열어갈 수 있다.
2. 태양광을 전기로 바꾸는 광전변환 분야에서 실리콘을 대체할 혁신적 신재료로서 전도성고분자를 사용하는 유기태양전지(Organic Solar Cell)가 개발되고 있다. 이를 통해 매우 저렴한 가격, 뛰어난 가공성, 유연한 물성을 가진 차세대 태양전지의 가능성을 열어가고 있다.
3. 실리콘 반도체의 비싼 제조 가격, 성형의 경직성, 공해 등의 문제를 해결하기 위한 유기반도체의 개발과 그 일환으로 개발되고 있는 구부리며, 말고, 접을 수 있는 유연성을 가진 얇은 플라스틱 필름형태의 혁신적 유기박막트랜지스터 등이 있다.
그 중에서 이미 실용화되었거나 개발 중인 대표적 사례 몇 가지를 알아보면 다음과 같다. 현재까지 실용화된 사례 중에서 가장 관심을 끄는 부분은 광학기능 부분이라 할 수 있다.

▶ 전계발광 기능의 응용: 핸드폰, 평판 TV 등 디스플레이 분야의 혁신
전계발광기능으로 상품화된 것은 핸드폰, 평판 TV, 디지털카메라, 내비게이션 등의 디스플레이 화면이 종전의 LCD 화면에서 유기발광다이오드(OLED/Organic Light Emitting Diode) 화면으로 대체되는 것이다. 발광기능을 작동하는 핵심소자 부분을 유기발광다이오드라 한다.
유기발광다이오드란 유기물 즉 전도성 플라스틱이 반도체의 일종인 다이오드의 재료로 사용되어 빛을 발하는 소자라는 의미이다. 빛을 발하는 방식에 있어 가스등을 1세대, 백열전등을 2세대, 형광등을 3세대, 수은등을 4세대, 무기발광다이오드를 5세대라 한다면 유기발광다이오드(OLED)는 6세대라 할 수 있다.
OLED 화면은 기존의 LCD 화면에 비해 여러 가지 장점이 있다. 화면을 구성하는 각 화소가 스스로 발광하는 반도체 소자로 화면이 수많은 점광원으로 구성되는 형태이기 때문에 보다 선명하고 밝은데도 전력 소모량은 오히려 적으며, LCD처럼 뒤에서 빛을 비춰주는 별도의 광원이나 필터가 필요 없어 구조가 훨씬 간단하고 화면의 두께가 훨씬 줄어들고 무게도 가벼워진다. 그뿐 아니라 화면을 자유로 굴곡할 수 있어 다양한 입체 모양으로 디자인이 가능하고, 두루마리 식으로 말았다 폈다 하는 방식의 화면도 만들 수 있다. 또한 LCD처럼 화면을 보는 각도에 따라 선명도가 달라지는 현상이 없으며, 입력 신호에 대한 반응 속도가 매우 빠르기 때문에 빠르게 움직이는 물체를 보다 선명하게 표시할 수 있다. 이러한 여러 가지 장점에도 불구하고 가격은 오히려 낮아지고 생산 공정도 간단해진다.
OLED 화면의 상용화에 있어 소형 디스플레이 화면의 경우는 이미 휴대폰, 카스테레오, 디지털카메라, 휴대용 게임기, 전기면도기, 시계 등 여러 제품의 소형 화면 디스플레이로 상품화되어 광범위하게 사용되고 있다. TV, 컴퓨터 모니터 등의 대형 화면의 경우는 이제 막 상용화가 시작된 단계이다.
대형 화면의 경우 소니(Sony)와 삼성전자가 선두주자로 OLED-TV를 개발했으며 세계최초로 상품화되어 판매되기 시작한 것은 Sony사가 11인치 OLED-TV 모델인 XEL-1을 2007년 말부터 상품화 완료하여 시판하기 시작한 것이다. XEL-1은 화면 두께가 3㎜정도로 얇고 가벼우며 구조가 매우 간단하다. 이에 비해 삼성은 2012년에 55인치 OLED-TV를 발표했다.
OLED 화면이 소형 디스플레이 분야에서 실용화된 것은 TV 화면에서 실용화된 것보다 앞섰다. 이는 OLED는 화면에서 직접 발광하기 때문에 별도의 후방 광원(Back Light Unit)이 필요 없어 단말기가 훨씬 얇고 가벼워질 수 있기 때문이다. 대표적인 것이 핸드폰과 디지털카메라 등인데, 핸드폰용 OLED화면은 삼성SDI사가 선도하고 있고, 디지털카메라의 OLED 화면은 Kodak사가 선두주자였다.

▶ 광전변환 기능 응용: 고성능의 태양전지 개발
광전변환 기능이란 빛을 받아서 전기로 바꿔주는 기능을 말한다. 이는 바로 태양광을 전기에너지로 바꿔주는 태양전지에 응용할 수 있다는 의미이다. 전도성 플라스틱으로 노벨상을 받은 당사자인 알란 히거 박사는 그가 노벨상을 받은 2000년에 Konarka Technologies라는 벤처기업을 설립했으며, 이 회사를 통해 그가 개발한 태양전지의 상용화를 추진하고 있다. 다른 한편으로는 한국의 광주과학기술원에 재임하고 있는 교수이자 그의 제자인 이광희(李光熙·신소재공학과) 박사와의 협동 연구를 통해 2007년 말에 6.5% 수율의 고성능 태양전지 시제품을 제작했다고 보고했다.

▶ 실리콘반도체를 대체할 유기박막트랜지스터
전도성고분자를 반도체 재료로 사용하려는 이유 중의 하나는 플라스틱의 물성을 반도체에 도입하기 원하기 때문이다. 전도성고분자를 용매에 녹여 가공하는 용액 공정의 도입으로 박막 형태의 가공을 아주 손쉽게 이뤄보려는 것이다.
용액 공정의 사례로는 재료를 잉크처럼 녹여 노즐을 통해 분사해 박막을 형성하는 잉크젯 방법, 기판에 인쇄해 박막을 형성하는 스크린 프린트 방법, 용액 방울을 회전판에 떨어뜨려 회전력으로 퍼져나가 얇은 막을 형성하게 하는 회전도포법 등이 있다. 이러한 용액 공정을 사용하면 공정 단가를 대폭 낮출 수 있고, 대면적 박막 공정이 가능하며, 재료의 낭비를 최소화할 수 있다는 이점이 있다. 플라스틱 필름위에 성형한 유연성이 높은 유기박막트랜지스터(OFET)를 사용하면 얇고, 가볍고, 구부릴 수도 있는 디스플레이가 제작될 수 있다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 전도성 고분자의 실용성(OLED, 유기태양전지, 유기반도체)