국내 연구진이 긁거나 떨어뜨리는 충격에 강한 차세대 고내구성·유연성 투명 보호필름을 개발했다. 유기 태양전지(OPV)·곡면 디스플레이 등 대면적 패널을 비롯해 스마트폰 등 모바일 기기에도 적용 가능하다.
광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 강홍규 차세대에너지연구소 부소장 연구팀이 서로 다른 재료가 만나는 경계면을 정밀하게 제어하는 방법으로 단단하면서도 잘 깨지지 않는 보호 필름 제조 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.
OPV는 전기를 흐르게 할 수 있는 전도성 유기 소재를 활용해 빛을 전기로 변환하는 차세대 태양전지 기술이다. 건물일체형 태양광(BIPV), 웨어러블 기기, 실내 조명 등에 활용한다. 하지만 외부 충격과 마찰, 자외선·수분 등 환경 요인에 취약해 보호를 위한 커버 윈도우 소재가 필수적이다. 스마트폰에 강화 필름을 붙여 긁힘과 파손을 막는 것처럼 커버 윈도우는 유기 태양전지의 수명과 안정성을 좌우하는 핵심 보호층이다.
기존 커버 윈도우 소재인 폴리카보네이트는 표면이 상대적으로 부드러워 스크래치에 약하고 자외선이나 수분에 장기간 노출될 경우 미세 균열이 발생해 성능 저하를 유발하는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 소재를 변경하는 대신 서로 다른 물질이 맞닿는 계면을 정밀하게 설계·제어하는 계면 공학 전략을 적용했다. 폴리카보네이트와 표면 보호층 사이에 존재하는 응력 집중과 접착 불균형 문제를 해결한 것이다.
고내구성의 실록산과 접착성이 우수한 에폭시를 결합한 중간 접착층을 구축해 경화 후에도 일부 반응 가능한 부분이 남아 있도록 설계했다. 상부 코팅층과 추가적인 화학 결합을 형성해 계면 접착력이 더욱 강화되는 것을 확인했다.
연구팀이 스크래치 테스트, 낙하·충격 시험, 광학 투과도 측정, 반복 내구성 시험으로 성능을 측정한 결과 매우 단단한 연필심 수준의 강한 마찰에도 흠집이 거의 발생하지 않았다. 작은 물체가 빠르게 떨어지는 충격에 해당하는 40J 충격에서도 파손 없이 구조 안정성을 유지하는 것으로 확인했다.
특히 OPV 모듈에 적용한 결과, 기존 폴리카보네이트 기반 구조 대비 기계적 안정성과 신뢰성이 모두 향상된 것으로 나타났다. 반복 굽힘 시험에서도 성능 저하 없이 유연성이 유지돼 대면적 패널이나 곡면 디스플레이 등 다양한 형태로의 적용 가능성을 입증했다. 단일 공정 내에서 계면 결합과 구조 형성을 동시에 구현함으로써 표면 경도와 충격 저항성은 물론 광학 특성과 유연성까지 모두 만족시키는 보호 소재 플랫폼을 구현했다는 점에서 의미가 있다.
강홍규 부소장은 “이번 연구는 표면 경도와 충격 저항성 간의 상충 관계를 계면 공학적으로 해결해 두 특성을 동시에 확보한 범용 보호 소재 기술”이라며 “모빌리티, 디스플레이, 태양전지 등 다양한 산업 분야와 대면적 공정에 적용 가능한 플랫폼 기술로 확장될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업과 중소벤처기업부 딥테크 팁스(Deep-Tech TIPS) 프로그램의 지원을 받았다. 한국발명진흥회(KIPA)의 특허분석평가시스템(SMART5)에서 AA 등급을 획득하며 우수성을 인정받았다. 연구 결과는 재료 및 코팅 분야 국제학술지 '유기 코팅의 발전(Progress in Organic Coatings)' 6월호 게재가 확정됐다.
GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화실에서 진행할 예정이다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
