유기 태양전지 보호층 한계 넘긴 계면 제어 기술
7H 경도·40J 충격 견뎌... 광학 특성·유연성도 확보
디스플레이·태양전지·모빌리티로 확장 가능성 제시
광주과학기술원(GIST·지스트) 연구팀이 소재를 바꾸지 않고 계면을 정밀하게 제어하는 방식으로 긁힘에는 강하고 충격에는 유연한 차세대 보호필름 제조 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
(뒷줄 왼쪽부터) 정현석 ㈜리셀 연구원, 장준호 히거연구센터 연구원, (앞줄 왼쪽부터) 차세대에너지연구소 강홍규 부소장, 김상조 연구원, (오른쪽 위) 김인복 유니테스트 연구원
이번 성과는 표면 경도와 충격 저항성이 서로 부딪히던 기존 보호 소재의 한계를 동시에 겨냥한 점이 핵심이다. 스마트폰 액정의 잔흠집이나 낙하 파손은 물론, 유기 태양전지와 유연 디스플레이처럼 외부 충격과 마찰에 취약한 분야에도 적용 가능성을 보여줬다.
연구는 강홍규 차세대에너지연구소 부소장 연구팀이 진행했다. 연구팀은 소재 자체를 교체하는 대신 서로 다른 재료가 맞닿는 경계면을 설계하는 계면 공학 전략을 택했다. 단단하지만 잘 깨지고, 반대로 충격에는 버티지만 쉽게 긁히는 기존 소재의 상충 구조를 풀어내기 위해서다.
적용 대상 가운데 하나인 유기 태양전지(OPV)는 전도성 유기 소재를 활용해 빛을 전기로 바꾸는 차세대 태양전지 기술이다. 건물 외벽(BIPV)과 웨어러블 기기, 실내 조명 등에 활용되지만 외부 충격과 마찰, 자외선과 수분에 약해 보호용 커버 윈도우 소재가 필수로 꼽혀 왔다.
폴리카보네이트 기반 커버윈도우의 프라이머 및 하드코팅 공정과 계면 구조 변화 모식도.
기존에 널리 쓰이던 폴리카보네이트는 표면이 비교적 부드러워 스크래치에 약하고, 자외선이나 수분에 오래 노출되면 미세 균열이 생겨 성능 저하를 일으키는 한계가 있었다. 연구팀은 이 지점을 계면에서 풀었다.
핵심은 폴리카보네이트와 표면 보호층 사이의 응력 집중, 접착 불균형을 줄이는 데 있었다. 이를 위해 고내구성 실록산과 접착성이 우수한 에폭시를 결합한 중간 접착층을 구성했다. 실록산은 실리콘과 산소 결합이 반복된 3차원 네트워크 구조로 외부 충격을 분산시키고 표면 경도를 높이는 역할을 한다.
여기에 고리형 에폭시와 글리시딜 에폭시를 함께 써 경화 뒤에도 일부 반응 가능한 부분이 남도록 설계했다. 연구팀은 이 부분이 상부 코팅층과 추가 화학 결합을 형성해 계면 접착력을 더 끌어올리는 것을 확인했다.
중간 접착층 구조에 따른 커버윈도우의 기계적·충격·광학 성능 비교.
성능 검증도 여러 방식으로 이뤄졌다. 연구팀은 스크래치 테스트와 낙하·충격 시험, 광학 투과도 측정, 반복 내구성 시험 등을 통해 보호 소재의 특성을 종합적으로 살폈다.
그 결과 연필 경도 7H 수준의 강한 마찰에도 흠집이 거의 발생하지 않았고, 약 40J 충격에서도 파손 없이 구조 안정성을 유지하는 것으로 나타났다. 유기 태양전지 모듈에 적용했을 때는 기존 폴리카보네이트 기반 구조보다 기계적 안정성과 신뢰성이 향상된 것으로 확인됐다.
추가 반복 굽힘 시험에서도 성능 저하 없이 유연성이 유지됐다. 연구팀은 이를 바탕으로 대면적 패널과 곡면 디스플레이 등 다양한 형태로의 적용 가능성을 확인했다고 설명했다.
유연 유기태양전지 적용 시 본 연구 코팅 구조의 마모 내구성 및 광학 특성 변화
강홍규 부소장은 “이번 연구는 표면 경도와 충격 저항성 사이의 상충 관계를 계면 공학적으로 풀어 두 특성을 함께 확보한 범용 보호 소재 기술”이라며 “디스플레이와 태양전지, 모빌리티 등 여러 산업 분야는 물론 대면적 공정으로도 확장할 수 있는 플랫폼 기술이 될 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 중소벤처기업부의 딥테크 팁스(Deep-Tech TIPS) 프로그램 지원을 받았다. 기술은 한국발명진흥회(KIPA) 특허분석평가시스템(SMART5)에서 AA 등급을 받았고, 연구 결과는 재료·코팅 분야 국제학술지 《Progress in Organic Coatings》 6월 호 게재가 확정됐다.
GIST는 이번 성과가 학술적 의미와 함께 산업적 응용 가능성까지 함께 고려한 결과라고 설명했다. 기술이전 협의는 기술사업화실을 통해 진행할 수 있다고 밝혔다.
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