광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철) 강홍규 차세대에너지연구소 부소장 연구팀이 소재의 경계면을 정밀하게 제어하는 계면 공학 기술을 활용해 긁힘과 충격에 모두 강한 차세대 보호 필름 제조 기술을 개발했다.
(뒷줄 왼쪽부터) 정현석 ㈜리셀 연구원, 장준호 히거연구센터 연구원, (앞줄 왼쪽부터) 차세대에너지연구소 강홍규 부소장, 김상조 연구원, (오른쪽 위) 김인복 유니테스트 연구원 (사진= GIST 제공)
이번 연구에서는 기존 보호 소재가 긁힘에는 강하지만 충격에 약하거나, 반대로 충격에는 강하지만 쉽게 긁히는 문제를 동시에 해결할 수 있는 방법이 제시됐다. 연구팀은 폴리카보네이트와 표면 보호층 사이의 응력 집중과 접착 불균형 문제를 해소하기 위해, 실록산(siloxane)과 에폭시(epoxy)를 결합한 중간 접착층을 도입했다. 실록산의 3차원 네트워크 구조가 외부 충격을 분산시키고, 고리형 에폭시와 글리시딜 에폭시를 함께 활용해 계면 접착력도 강화했다.
유기 태양전지(OPV)는 건물 외벽, 웨어러블 기기, 실내 조명 등 다양한 분야에 적용되는 차세대 태양전지로, 전도성 유기 소재를 활용해 빛을 전기로 변환한다. 그러나 기존 보호 소재인 폴리카보네이트는 스크래치와 환경 요인에 취약해 성능 저하가 발생하는 한계가 있었다. 이에 연구팀은 소재 자체를 바꾸지 않고 계면을 정밀하게 설계해 내구성과 안정성을 높였다.
성능 검증을 위해 스크래치 테스트, 낙하·충격 시험, 광학 투과도 측정, 반복 내구성 시험 등이 실시됐다. 시험 결과, 7H 연필 경도 수준의 마찰에도 흠집이 거의 발생하지 않았고, 약 40J의 충격에도 파손 없이 구조적 안정성을 유지했다. 유기 태양전지 모듈에 적용한 경우 기존 폴리카보네이트 기반 구조보다 기계적 안정성과 신뢰성이 모두 향상된 것으로 나타났다.
반복 굽힘 시험에서도 성능 저하 없이 유연성이 유지돼, 대면적 패널이나 곡면 디스플레이 등 다양한 형태의 적용 가능성이 확인됐다. 단일 공정에서 계면 결합과 구조 형성을 동시에 구현함으로써 표면 경도, 충격 저항성, 광학 특성, 유연성까지 모두 만족시키는 보호 소재 플랫폼이 개발된 셈이다.
강홍규 부소장은 이번 연구가 표면 경도와 충격 저항성의 상충 관계를 계면 공학적으로 해결해 두 특성을 동시에 확보한 범용 보호 소재 기술이라고 밝혔다. 또한 디스플레이, 태양전지, 모빌리티 등 다양한 산업 분야와 대면적 공정에 적용 가능한 플랫폼 기술로 확장될 수 있다고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 중소벤처기업부 딥테크 팁스(Deep-Tech TIPS) 프로그램의 지원을 받았으며, 한국발명진흥회(KIPA) 특허분석평가시스템(SMART5)에서 AA 등급을 획득했다. 연구 결과는 《Progress in Organic Coatings》 6월 호에 게재가 확정됐다.
GIST는 이번 성과가 학술적 의의뿐 아니라 산업적 응용 가능성도 갖췄다고 밝히며, 기술이전 관련 협의는 기술사업화실을 통해 진행할 수 있다고 전했다.
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