전도도 유지하며 20% 이상 환경 안정성 개선…차세대 유연 전자소자 응용 기대

가천대 김대건 교수, 포항공대 조길원 교수, 서울대 손창윤 교수(사진 좌측부터)

가천대학교 화공생명배터리공학부 김대건 교수 연구팀이 전도성과 환경 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 전도성 고분자 도핑 기술을 개발했다. 이번 연구는 포항공대 조길원 교수, 서울대 손창윤 교수와의 공동연구로 수행됐다.

전도성 고분자는 전기를 흐르게 하는 고분자 소재로, 전자기기나 웨어러블 센서 등 유연 전자소자에 널리 활용된다. 전도성을 부여하기 위해 ‘도핑’ 공정이 필수지만, 도핑 효율이 높을수록 불안정한 반대이온이 생성돼 환경 안정성이 떨어지는 한계가 있다.

이온 교환 도핑을 통한 전도성 고분자에서의 높은 도핑 효율과 환경안정성 확보

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 먼저 염화철(FeCl₃)을 사용해 고분자를 도핑한 뒤, 생성된 불안정한 음이온([FeCl₄]⁻)을 크고 안정적인 dodecylbenzenesulfonate([DBS]⁻) 이온으로 교체하는 ‘2단계 음이온 교환 공정’을 새롭게 고안했다. 

 이 과정에서 도핑과 음이온 교환에 각각 적합한 용매 선택이 중요한 역할을 했다. 연구 결과, 극성 용매인 아세토니트릴을 도핑에, 비극성 용매인 헥산을 음이온 교환에 활용할 때 가장 효과적인 성능을 보였다.

이 기술을 적용한 고분자는 100 S/cm 이상의 전도도를 유지하면서도, 기존 방식 대비 20% 이상 향상된 환경 안정성을 확보했다. 분자 시뮬레이션 분석을 통해, 비극성 용매 환경에서는 안정적인 음이온 결합이 유도돼 도핑 효과가 더 오래 유지된다는 점도 확인했다.

김 교수는 “이번 연구는 전기전도도와 환경 안정성이라는 두 가지 성능을 동시에 높일 수 있는 새로운 방식을 제시한 것”이라며 “유연 전자기기나 웨어러블 기기처럼 외부 환경에 노출되는 차세대 전자소자용 소재 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 재료과학 분야 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF 9.5)’ 2025년 5월호에 게재됐다.