Article
  • Characterizations of PEDOT Based Conductive Thin Films Coated on Transparent Polyimide Substrate

  • Jae-Woo Jang*, Jin-Heong Yim*,†, and Young Soo Ko**,†

  • *Divsion of Advanced Materials Engineering, Kongju National University, 1223-34 Cheonan way, Cheonan 31080, Korea
    **Divsion of Chemical Engineering, Kongju National University, 1223-34 Cheonan way, Cheonan 31080, Korea

  • 투명 폴리이미드 기판에 코팅된 PEDOT계 전도성 박막의 특성분석

  • 장재우* · 임진형*,† · 고영수**,†

  • *공주대학교 공과대학 신소재공학부, **공주대학교 공과대학 화학공학부

Abstract

In this study, PEDOT based conductive thin films were fabricated using vapor phase polymerization (VPP) with CPI® as a substrate and compared with the conductive thin film prepared on the glass and polyethylene terephthalate (PET) substrate. The conductivity and optical transparency of PEDOT based conductive thin films fabricated on CPI® were similar to those of the conductive thin films on glass and PET. Physicochemical properties of conductive films on CPI® were superior to those of the conductive thin films on glass and PET. It might be due to the improvement of adhesion property from uniformly coated oxidant at the interface between PEDOT and CPI®. Especially, physicochemical characteristics of PEDOT-SiO2 hybrid conductive film that prepared by co-vaporization VPP were drastically enhanced because of introducing Si-O-Si crosslink network structure. The electromechanical stability of conducting layer in electronic device is important in the terms of reliability.


본 연구에서는 기존의 사용되었던 glass, polyethylene terephthalate(PET) 기판과 함께 CPI®를 피착체로 활용하여 기상중합(vapor phase polymerization; VPP) 방법으로 PEDOT계 전도성 박막을 제조하여, 박막의 광·전기적 특성과 물리화학적 특성을 비교 분석하였다. CPI® 위에 성막된 PEDOT계 전도성 박막의 전기전도도와 광투과도는 glass, PET 기판을 사용한 경우와 유사하였다. 반면에, CPI®를 기판으로 활용한 경우의 전도성 박막의 물리화학적 특성은 다른 기판들에 비하여 상대적으로 우수하였다. 이는 PEDOT 박막과 CPI® 기판의 계면에서 균일한 산화제의 도포에 따른 밀착성의 향상에 기인한 것이라 판단된다. 특히, 공-증발 VPP로 PEDOT와 SiO2를 하이브리드한 전도성 박막의 물리화학적 특성은 박막 내에 Si-O-Si 가교구조의 도입으로 크게 향상되었다.


Keywords: transparent polyimide, PEDOT, physicochemical property, electromechanical stability

서 론

폴리이미드(Polyimide, PI)는 대부분 비결정성 구조를 갖는 고분자로서, 투명하고 강직한 사슬구조에 인해 뛰어난 내열성과 내화학성, 우수한 기계적 물성, 전기적 특성 및 치수안정성을 가지고 있는 고분자 재료이다.1-6 이러한 특성 때문에 자동차 관련 부품, 유연성 회로기판, LCD용 액정 배향막, 반도체 층간절연막 등의 소재로 다양하게 사용되고 있다.7,8 상기 언급한 장점들을 가짐에도 불구하고, 특유의 진한 갈색으로 인해 투명 유연성 회로기판과 디스플레이 분야에는 제한적으로 사용되고 있다. 최근 이러한 단점을 보완하기 위하여 기존 PI 주사슬에 굽은 구조를 도입하거나, CF3-기처럼 입체 장애를 주면서 전자를 끌어당기는 구조를 조합하여 높은 투과율을 보이는 투명 폴리이미드(transparent polyimide; CPI®) 소재가 보고되고 있다.9-13
1977년 전도성 고분자 polyacetylene의 발견14 이후 전도성 고분자의 연구는 지속적으로 연구되어 왔다. 상업적으로 널리 사용되고 있는 전도성 고분자 중 thiophene 구조에 ethylenedioxythiophene그룹을 ring 형태로 지니고 있는 3,4-ethylenedioxythiophene(EDOT)이라는 전도성 고분자 단량체는 “합성 금속” 연구를 견인해 왔다. EDOT 단량체를 중합하여 제조한 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)(PEDOT)은 상업적으로 널리 사용되고 있는 전도성 고분자로 우수한 전기전도도, 열안정성 및 화학적 안정성과 함께 대략 1.6 eV의 낮은 광학적 밴드갭을 지니고 있다고 보고된 바 있다.15 일반적으로 PEDOT의 중합에 사용되는 산화제는 FeCl3, acid, sulfonate 계열이 사용이 되고 있다. Sulfonate group 계열의 산화제는 친핵성이 낮아 도핑특성이 우수하여, 높은 전도도를 가지는 PEDOT 제조에 유용하게 사용되고 있다. 이러한 이유로 sulfonate group 3개가 iron 3가 금속에 배위되어 있는 구조인 iron(III) tosylate가 많이 사용되어 왔다. 그러나 PEDOT는 불용, 불융이라는 단점 때문에 가공방법이 제한적이며, 주로 코팅법이 사용되어 필름 형태로 제조된다. 또한 취약한 물리화학적 특성 때문에 다양한 적용에 많은 제한을 받아왔다. 이러한 PEDOT의 단점을 극복하기 위해서 본 연구진은 분자수준의 유-무기 하이브리드 접근법으로 공-증발 기상중합법(vapor phase polymerization; VPP)을 보고하여 PEDOT의 물리화학적 단점을 개선한 바 있다.16-19 실리콘계 무기 재료인 실리카(SiO2)는 높은 내열성, 내화학성, 접착성, 광학적 투명성을 지니고 있기 때문에 VPP 기반 PEDOT와의 SiO2 하이브리드법은 PEDOT의 본질적인 장점을 유지하고 동시에 단점을 극복할 수 있었다. 한편, 높은 전도도를 가지는 PEDOT의 중합 방법으로는 직접적인 산화중합 방법으로 중합 시 이미다졸 같은 약염기를 첨가하여 전도도를 증가시켰다. Ha 등은 산화제와 약염기의 함량, 용매의 종류, 농도 등의 변수를 조절하여 최적의 조건을 제시하였다.20 본 연구진은 VPP 방법으로도 약염기의 적용이 전기전도도를 향상시킨다는 보고를 한바 있다.21
본 연구에서는 VPP 법으로 PEDOT계 전도성 고분자 박막을 코팅할 세가지 종류의 기판인 glass, polyethylene terephthalate (PET), CPI®를 사용하였다. 각 기판에 코팅된 PEDOT 박막의 전도도, 투과도와 같은 광·전기적 특성과 연필경도, 내스크래치성, 내용제성, 밀착력과 같은 물리화학적 특성을 비교 분석하였다. 또한 플렉시블 디바이스의 신뢰성을 판단할 수 있는 전기·기계적 안정성을 PET 및 CPI®를 기판으로 사용하여 제조된 PEDOT계 박막의 인장응력 하의 bending 시 전기 저항의 변화를 관찰하였다.

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  • Polymer(Korea) 폴리머
  • Frequency : Bimonthly(odd)
    ISSN 0379-153X(Print)
    ISSN 2234-8077(Online)
    Abbr. Polym. Korea
  • 2022 Impact Factor : 0.4
  • Indexed in SCIE

This Article

  • 2018; 42(1): 67-73

    Published online Jan 25, 2018

  • 10.7317/pk.2018.42.1.67
  • Received on Jun 30, 2017
  • Revised on Aug 4, 2017
  • Accepted on Aug 5, 2017

Correspondence to

  • Jin-Heong Yim*, and Young Soo Ko**

  • *Divsion of Advanced Materials Engineering, Kongju National University, 1223-34 Cheonan way, Cheonan 31080, Korea
    **Divsion of Chemical Engineering, Kongju National University, 1223-34 Cheonan way, Cheonan 31080, Korea

  • E-mail: jhyim@kongju.ac.kr, ysko@kongju.ac.kr