전도성 고분자로 주목을 받고 있는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- polystyrene sulfonate (PEDOT/PSS)는 분산 용매에 따라서 전기적 특성이 변화한다. 본 논문에서는 고형으로 최근 시판되고 있는 PEDOT/PSS를 물, 에탄올 (EtOH), 에틸렌 글리콜 (EG) 및 디메틸설폭사이드 (DMSO)에 분산시킨 용액을 PET 필름 상에 코팅하여 표면 저항을 측정한 결과, EG 및 DMSO를 사용하였을 경우에 약 100배 정도 더 낮은 표면 저항치를 나타내었다. 코팅된 필름의 열적 특성 및 화학적 특성을 TGA 및 XPS로 분석한 결과, 용매에 따른 차이는 발견되지 않았다. 그러나 분산액 자체의 입도를 분석한 결과, EG 및 DMSO 용액에서는 $1-3{\mu}m$ 정도의 입자로 존재하였으나, 물에서는 $0.1{\mu}m$ 이하의 미세 입자로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 전기적 특성의 차이는 분산 상태에서의 PEDOT/PSS 입자 크기에 영향을 받는 것으로 판단된다.
전도성 고분자로 주목을 받고 있는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene)- polystyrene sulfonate (PEDOT/PSS)는 분산 용매에 따라서 전기적 특성이 변화한다. 본 논문에서는 고형으로 최근 시판되고 있는 PEDOT/PSS를 물, 에탄올 (EtOH), 에틸렌 글리콜 (EG) 및 디메틸설폭사이드 (DMSO)에 분산시킨 용액을 PET 필름 상에 코팅하여 표면 저항을 측정한 결과, EG 및 DMSO를 사용하였을 경우에 약 100배 정도 더 낮은 표면 저항치를 나타내었다. 코팅된 필름의 열적 특성 및 화학적 특성을 TGA 및 XPS로 분석한 결과, 용매에 따른 차이는 발견되지 않았다. 그러나 분산액 자체의 입도를 분석한 결과, EG 및 DMSO 용액에서는 $1-3{\mu}m$ 정도의 입자로 존재하였으나, 물에서는 $0.1{\mu}m$ 이하의 미세 입자로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 전기적 특성의 차이는 분산 상태에서의 PEDOT/PSS 입자 크기에 영향을 받는 것으로 판단된다.
The surface resistance of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate (PEDOT/PSS), which has appeared to be one of the most successful conductive polymers, is affected by the solvent. In this paper, pellet-type PEDOT/PSS was suspended in $H_2O$, ethanol (EtOH), ethylene glycol ...
The surface resistance of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate (PEDOT/PSS), which has appeared to be one of the most successful conductive polymers, is affected by the solvent. In this paper, pellet-type PEDOT/PSS was suspended in $H_2O$, ethanol (EtOH), ethylene glycol (EG) or dimethylsulfoxide (DMSO), and coated on PET film. The surface resistances of the films made from EG or DMSO suspension were observed to be lower, nearly by 2 orders of magnitude, than that made from $H_2O$ suspension. No significant difference among four kinds of films was observed when the thermal properties and chemical structures were investigated by TGA and XPS, respectively. However, particle size of PEDOT/PSS was in the range of $1-3{\mu}m$ in EG or DMSO, on the other hand, less than $0.1{\mu}m$ in $H_2O$. It is considered that the particle size of PEDOT/PSS in the suspension plays an important role for the surface resistance.
The surface resistance of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate (PEDOT/PSS), which has appeared to be one of the most successful conductive polymers, is affected by the solvent. In this paper, pellet-type PEDOT/PSS was suspended in $H_2O$, ethanol (EtOH), ethylene glycol (EG) or dimethylsulfoxide (DMSO), and coated on PET film. The surface resistances of the films made from EG or DMSO suspension were observed to be lower, nearly by 2 orders of magnitude, than that made from $H_2O$ suspension. No significant difference among four kinds of films was observed when the thermal properties and chemical structures were investigated by TGA and XPS, respectively. However, particle size of PEDOT/PSS was in the range of $1-3{\mu}m$ in EG or DMSO, on the other hand, less than $0.1{\mu}m$ in $H_2O$. It is considered that the particle size of PEDOT/PSS in the suspension plays an important role for the surface resistance.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이상의 결과와 같이, Orgacon을 물 또는 EtOH, EG, DMSO 등의 유기용매에 분산시켜 PET 필름에 코팅하여 얻어진 대전 방지용 필름의 전기적 특성에는 차이가 있으나, 열적, 화학적 특성에는 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 각각의 용액상태에서의 입자의 양상을 분석하여 전기적 특성에서 나타나는 현상을 규명하고자 하였다. 입도분석기를 사용하여 분산액중의 입자의 크기 및 분포를 측정한 결과를 Figure 5에 나타내었다.
최근 수분산 형태의 PEDOT/PSS에 대항하여 pellet 형태의 PEDOT/PSS (Orgacon pellet, 이하 Orgacon으로 약함)가 시제품 형태로 출시되어, 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 Orgacon을 물 및 에탄올(EtOH), 에틸렌 글리콜(EG), DMSO 등의 유기용매에 분산시킨 용액을 PET 필름에 캐스팅하여 얻어진 전도성 필름의 전기저항, 물리화학적 특성 및 표면 특성을 비교하여 용매의 차이에 따른 전기 저항의 차이를 규명하고자 하였다.
제안 방법
8 S/cm 정도의 전도도를 나타냈으나, DMSO를 혼합한 용액으로부터 얻어진 필름의 전도도는 80 S/cm로 100배 정도 향상되는 현상을 관찰하였다.10 저자들은 이 현상을 유전률이 높은 DMSO가 양이온을 띄는 PEDOT와 음이온의 PSS 사이의 Coulomb 인력을 저하시키는 효과 (screen effect)에 의한 것으로 추론하였다. 반면에, 동일한 Baytron P을 사용하여 EG를 첨가하여 유사한 연구를 한 논문11에서도 EG 첨가에 의해 전도도의 상승을 관찰할 수 있었으나, 여기서는 PEDOT/PSS의 표면 구조의 변화에 의해서 해석하였다.
최근 시제품 형태로 출시된 pellet 형태의 PEDOT/PSS(Orgacon)을 물 및 EtOH, EG, DMSO등의 유기용매에 분산시킨 용액을 PET 필름에 캐스팅하여 얻어진 전도성 필름의 표면저항을 측정한 결과, EG 및 DMSO를 사용하였을 경우에 약 100배 정도 더 낮은 표면 저항치를 나타내었다. EG 및 DMSO를 사용하여 분산 용액을 제조 시에 80 ℃ 이상까지 온도가 격렬하게 상승되는 현상이 있었으므로 이 현상이 표면 저항에 영향을 입히는 것인지 판단하기 위해서 코팅된 필름의 열적 특성 및 화학적 특성을 TGA 및 XPS로 분석하였다. TGA 및 XPS의 분석 결과는 기존에 수분산 형태로 시판되는 PEDOT/PSS에서부터 얻어지는 필름과 동일하게 나타났으며, 용매에 따른 차이 역시 발견되지 않았다.
5 cm를 기준으로 하여 표면 저항을 측정하였다. Orgacon 그 자체 및 PEDOT/PSS의 분산액으로부터 얻어지는 필름의 열적 특성은 TGA (Thermogravimetry)를 이용하여 분석하였으며, TGA는 Netzsch사의 STA409를 사용하여 질소 기류 하에서 30 ℃에서 10 ℃/min의 속도로 승온하면서 600 ℃까지 측정하였다. 필름 표면의 화학구조 특성을 분석하기 위한 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)는 Thermo Electron사의 K-Alpha를, 광원으로는 Al-Kα monochromated X-ray를 사용하여 측정하였다.
이 분산액의 온도가 실온까지 돌아온 이후에, Mayer bar coater를 사용하여 습도막 두께 기준으로 5 - 25 ㎛가 되도록 PET 필름위에 코팅한 후, 120 ℃ 오븐(Memmert model UFE 500)에서 2분간 건조시켰다. 사용하는 Mayer bar coater의 기준에 따라 습도막의 두께를 조절하고, 건조 도막의 경우에는 습도막과 코팅액의 고형분을 통해 계산하였다. 즉, 본 연구에서는 고형분 1%의 분산 용액을 사용하여 코팅을 하므로, 습도막 두께 대비 1%가 건조 후의 도막 두께에 해당한다.
입도분석기 측정은 상기의 분산 용액 상태로 측정하고,TGA 및 XPS 분석을 위해서는 PET 필름에 코팅된 필름을 떼어낸 상태로 사용하였다. 필름들의 TGA 분석결과와의 비교를 위해서 Orgacon도 함께 측정하였으며, 80 ℃에서 4시간 진공건조한 후에 분석하였다.
표면 저항 측정을 위해서는 LCR-9073A를 사용하였으며, 전극 사이의 거리는 2.5 cm를 기준으로 하여 표면 저항을 측정하였다. Orgacon 그 자체 및 PEDOT/PSS의 분산액으로부터 얻어지는 필름의 열적 특성은 TGA (Thermogravimetry)를 이용하여 분석하였으며, TGA는 Netzsch사의 STA409를 사용하여 질소 기류 하에서 30 ℃에서 10 ℃/min의 속도로 승온하면서 600 ℃까지 측정하였다.
필름 표면의 화학구조 특성을 분석하기 위한 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)는 Thermo Electron사의 K-Alpha를, 광원으로는 Al-Kα monochromated X-ray를 사용하여 측정하였다.
입도분석기 측정은 상기의 분산 용액 상태로 측정하고,TGA 및 XPS 분석을 위해서는 PET 필름에 코팅된 필름을 떼어낸 상태로 사용하였다. 필름들의 TGA 분석결과와의 비교를 위해서 Orgacon도 함께 측정하였으며, 80 ℃에서 4시간 진공건조한 후에 분석하였다.
대상 데이터
고체 형태의 PEDOT/PSS인 Orgacon은 Agfa로부터 구입하였으며, 기타 시약 및 용매는 Aldrich사로부터 구입하였다.
이론/모형
Orgacon을 물 및 유기용매에 분산시킨 용액의 입도 분석을 위한 입도분석기 (particle size anaylzer)로는 테플론 튜브로 연결된 Malvern instruments의 Mastersizer 2000을 사용하였다.
성능/효과
실제적으로 도막 두께를 달리하여 제조한 전도성 폴리아닐린에서도 동일한 경향이 나타났다.12 이와 같은 현상이 PEDOT/PSS-DMSO 및 -EG에서 더욱 현저하게 나타나는 현상은 정확하게 판단하기 어려우나, 유전율이 높은 용매인 DMSO 및 EG가 잔류하기 때문으로 판단되며, 실제적으로 후술하는 바와 같이 TGA의 분석에 의하면 용매가 잔류하고 있는 것으로 나타났다.
TGA 및 XPS의 분석 결과는 기존에 수분산 형태로 시판되는 PEDOT/PSS에서부터 얻어지는 필름과 동일하게 나타났으며, 용매에 따른 차이 역시 발견되지 않았다.
TGA 및 XPS의 분석 결과는 기존에 수분산 형태로 시판되는 PEDOT/PSS에서부터 얻어지는 필름과 동일하게 나타났으며, 용매에 따른 차이 역시 발견되지 않았다. 그러나 분산 용액 자체의 입도를 측정한 결과, EG 및 DMSO 용액에서는 1-3 ㎛ 정도의 입자로 존재하였으나, 물에서는 평균 입자 지름이 약 0.07 ㎛정도의 미세 입자로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과를 종합하여 고찰하면, PEDOT/PSS을 물 또는 유기용매에 분산시킨 용액으로부터 얻어지는 전도성 필름의 표면 저항의 차이는 분산 상태에서의 PEDOT/PSS 입자 크기에 영향을 받는 것으로 판단된다.
각각의 샘플에 대해서 5번 측정하였으며, 측정에 따른 편차는 거의 없이 일정하게 나왔다. 먼저 수분산 용액의 경우에는 0.1 ㎛ 이하로 분포를 하였으며, 평균 입자 크기의 표현 방법으로서 가장 일반적으로 사용되어지는 D[4, 3] (the vol-ume moment mean of the particle) 값은 0.0712 ㎛로 나타났다. 반면에 EtOH, EG 및 DMSO 등에 분산한 용액에서의 D[4, 3] 값은 각각 0.
07 ㎛정도의 미세 입자로 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과를 종합하여 고찰하면, PEDOT/PSS을 물 또는 유기용매에 분산시킨 용액으로부터 얻어지는 전도성 필름의 표면 저항의 차이는 분산 상태에서의 PEDOT/PSS 입자 크기에 영향을 받는 것으로 판단된다.
이상의 결과와 같이, Orgacon을 물 또는 EtOH, EG, DMSO 등의 유기용매에 분산시켜 PET 필름에 코팅하여 얻어진 대전 방지용 필름의 전기적 특성에는 차이가 있으나, 열적, 화학적 특성에는 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 각각의 용액상태에서의 입자의 양상을 분석하여 전기적 특성에서 나타나는 현상을 규명하고자 하였다.
최근 시제품 형태로 출시된 pellet 형태의 PEDOT/PSS(Orgacon)을 물 및 EtOH, EG, DMSO등의 유기용매에 분산시킨 용액을 PET 필름에 캐스팅하여 얻어진 전도성 필름의 표면저항을 측정한 결과, EG 및 DMSO를 사용하였을 경우에 약 100배 정도 더 낮은 표면 저항치를 나타내었다. EG 및 DMSO를 사용하여 분산 용액을 제조 시에 80 ℃ 이상까지 온도가 격렬하게 상승되는 현상이 있었으므로 이 현상이 표면 저항에 영향을 입히는 것인지 판단하기 위해서 코팅된 필름의 열적 특성 및 화학적 특성을 TGA 및 XPS로 분석하였다.
후속연구
실제적으로 EG가 첨가된 상태에서는 PEDOT/PSS가젤을 형성한다는 사실을 명기하였다. 그러나 본 연구 결과를 고려하면, 젤을 형성하는 것이 전도도 향상에 기인하는 것은 동일하지만, 일정 수준 이상의 입자 크기가 전도도 향상에 직접 관여한다는 것으로 해석도 가능하리라 판단된다. 실제적으로, 전도성 그래파이트를 부도체인 나일론에 첨가하여 대전 방지 기능의 나일론 복합체를 제조한 연구15에서는, 동일한 함량의 그래파이트를 함유하더라도 작은 입자가 균일하게 분포할 때보다는 어는 정도 이상의 크기로 그래파이트 입자가 불균일하게 분포하여 domain을 형성할 때 전도도가 높아진다는 결과를 고려하면, PEDOT/PSS의 입자 크기 자체가 전도도의 향상을 유도하는 것으로 유추할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PEDOT/PSS는 어떤 형태로 공급되는가?
PEDOT/PSS의 상업적인 측면에서의 성공은 Bayer와 Agfa에 의해서 이루어졌으며, PEDOT/PSS의 공급 역시 이 2개의 회사에 의해서 주도적으로 이루어지고 있다. PEDOT/PSS는 물에 분산된 형태로 공급되며 분산 정도에 따라 다양한 형태로 상업화 되어 있으며, 대전 방지 기능의 고분자 필름을 제조하기 위한 많은 연구들이 이를 이용하여 진행되고 있으며, 이와 관련된 내용은 총설로서 잘 정리되어 있다.9 최근 Bayer사의 PEDOT/PSS 수분산 제품인 Baytron P를 이용하여 유기용매와의 혼합에 의한 전도도 변화를 연구한 바에 따르면 Baytron P에 디메틸설폭사이드 (dimethylsulfoxide, DMSO)를 혼합한 용액으로부터 얻어진 필름의 전도도는, Baytron P 그 자체로부터 얻은 필름보다 100배 정도 높은 것으로 나타났으며, 이와 같은 현상의 원인을 구체적으로 설명하지는 못했으나, “screeneffect” 때문으로 추론하였다.
폴리아세틸렌 이후 도핑을 통해 전도성을 가지는 것으로 확인된 고분자는 무엇이 있는가?
일반적으로 절연체인 유기고분자화합물의 주쇄에 있는 sp2 혼성궤도의 탄소원자가 conjugated double bond를 갖는 polyene 화합물이 되면 전도성을 나타낼 수 있다는 이론적인 논문1이 발표된 이후로, 가볍고 필름 형태로 성형이 가능한 전도성 고분자의 합성에 관한 많은 연구가 이루어져 최초의 전도성 고분자로 폴리아세틸렌에 관한 연구 결과2가 발표되었다. 그 후로 폴리아닐린, 폴리피롤,3,4 폴리파라페닐렌, 폴리싸이오펜5 등도 적절한 도핑에 의해 전도성을 띈다는 것이 확인되었으며, 금속 또는 반도체를 대체할 수 있는 신소재로서 다양한 연구가 수행되어 오고 있다.
전도성 고분자에 대한 연구가 진행될 수 있었던 배경은 무엇인가?
일반적으로 절연체인 유기고분자화합물의 주쇄에 있는 sp2 혼성궤도의 탄소원자가 conjugated double bond를 갖는 polyene 화합물이 되면 전도성을 나타낼 수 있다는 이론적인 논문1이 발표된 이후로, 가볍고 필름 형태로 성형이 가능한 전도성 고분자의 합성에 관한 많은 연구가 이루어져 최초의 전도성 고분자로 폴리아세틸렌에 관한 연구 결과2가 발표되었다. 그 후로 폴리아닐린, 폴리피롤,3,4 폴리파라페닐렌, 폴리싸이오펜5 등도 적절한 도핑에 의해 전도성을 띈다는 것이 확인되었으며, 금속 또는 반도체를 대체할 수 있는 신소재로서 다양한 연구가 수행되어 오고 있다.
참고문헌 (15)
W. A. Little, "Possibility of Synthesizing an Organic Superconductor", Phys. Rev. A., 134, 1416 (1964).
H. Shirakawa, E. Louis, A. McDiarmid, C. Chiang, and A. J. Heeger, "Synthesis of Electrically Conducting Organic Polymers: Halogen Derivatives of Polyacetylene, (CH)x", J. Chem. Soc. Chem. Commun., 578 (1977).
J. H. Hong and K. S. Jang, "Synthesis and Characterization of Soluble Polypyrrole with High Conductivity", J. Korean Ind. Eng. Chem., 18, 234 (2007).
Y. H. Lee, Y. W. Ju, H. R. Jung, Y. I. Huh, and W. J. Lee, "Preparation of Polypyrrole/Sulfonated-SEBS Conducting Composites Through an Inverted Emulsion Pathway", J. Ind. Eng. Chem., 11, 550 (2005).
F. Louwet, L. Groenendaal, J. Dhaen, J. Manca, J. Van Luppen, E. Verdonck, and L. Leenders, "PEDOT/PSS: Synthesis, Characterization, Properties and Applications", Synth. Met., 135, 115 (2003).
F. Jonas and J. T. Morrison, "3,4-Polyethylenedioxythiophene (PEDT): Conductive Coatings Technical Applications and Properties", Synth. Met., 85, 1397 (1997).
L. Groenendaal, F. Jonas, D. Freitag, H. Pielartzik, and J. R. Reynolds, "Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) and Its Derivatives: Past, Present, and Future", Adv. Mater., 12, 481 (2000).
J. Y. Kim, J. H. Jung, D. E. Lee, and J. Joo. "Enhancement of Electrical Conductivity of Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/ Poly(4-styrenesulfonate) by a Change of Solvents", Synth. Met., 126, 311 (2002).
S. Ashizawa, R. Horikawa, and H. Okuzaki, "Effects of Solvent on Carrier Transport in Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/ Poly(4-styrenesulfonate)", Synth. Met., 153, 5 (2005).
M. M. Ayad and M. A. Shenashin, "Film Thickness Studies for the Chemically Synthesized Conducting Polyaniline", Eur. Polym. J., 39, 1319 (2003).
Y. Zhu, S. Xu, L. Jiang, K. Pan, and Y. Dan, "Synthesis and Characterization of Polythiophene/Titanium Dioxide Composites", React. Funct. Polymers, 68, 1492 (2008).
G. Greczynski, T. Kugler, and W. R. Salaneck, "Characterization of The PEDOT-PSS System by Means of X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy", Thin Solid Films, 354, 129 (1999).
D. Chung and Y. T. Park, "The Study on The Electrically Conductive Properties of Graphite-Nylon6 Composite", J. Korean Ind. Eng. Chem., 11, 239 (2000).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.