화학공학과 송인호 교수 연구팀이 퍼듀대 연구팀과의 공동 연구를 통해 새로운 투명 전도성 고분자를 개발하고, 이를 통해 구현한 ‘고분자 기반 차세대 유연 전기변색 디스플레이’에 대한 논문을 해당 분야 최상위 국제 저명 저널 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 발표했다. 

우리 생활의 필수 요소인 디스플레이 가운데 기존에 주로 사용되던 방출형 디스플레이들은 여러 단점이 존재한다. 지속적인 전력 공급이 필요하다는 점, 햇빛 아래에서는 잘 작동하지 않는다는 점, 그러다 보니 강한 빛을 방출함으로써 장시간 사용 시 눈의 피로를 유발한다는 점 등이 대표적인 단점이다. 

이와 달리 전기변색 디스플레이는 빛을 방출하지 않고, 빛의 투과만을 이용해 이미지를 구현한다. 양안정성 특성을 통해 이미지를 유지하는 데 전력을 필요로 하지 않는다. 때문에 전력 소비가 매우 적고 눈의 피로를 덜 유발해 저전력 웨어러블 전자기기에 매우 적합하다. 

문제는 전기변색 디스플레이를 실제 제작하는 데 있어 투명 전극, 전기변색 반도체 이외에도 이온 저장층, 전해질 등의 추가적인 구성층이 필요하다는 점이다. 기존 투명 전도체로 주로 쓰이는 ITO(Indium Tin Oxide)의 유연성이 제한적이란 점도 디스플레이 상용화에 큰 장애물로 작용했다. 

송인호 교수 연구팀은 새로운 고분자 전도체 ‘n-PBDF’를 개발했으며, 뛰어난 전기 전도성과 투명성도 입증했다. 전기화학 거동을 확인한 결과 이온의 침투가 원활해 높은 이온 전도성을 보이며, 이를 통해 우수한 정전 용량을 가진다는 점도 증명했다. 

연구팀은 n-PBDF가 투명 전극과 이온 저장층의 역할을 동시에 수행할 수 있을 것으로 가정했다. 이를 통해 디스플레이의 총 층수를 줄이고, 제작을 단순화하는 연구를 진행했다. 실제 n-PBDF는 반복된 전기화학적 사이클에서 높은 정전 용량을 유지했으며, 색 변화도 최소화되는 것으로 나타났다. 

연구팀은 n-PBDF를 이용해 투명 전극과 이온 저장층을 통합하고 모든 고성층을 고분자로 구성해 국소적으로 패턴했다. 이를 통해 기존 금속 산화물 기반 디스플레이보다 우수한 성능의 광학 대비(optical contrast) 및 양안정성(bistability) 성능을 보이는 고분자 전기변색 디스플레이를 제작하는 데 성공했다. 

상세한 연구성과의 내용은 2023년 인용지수(IF, Impact Factor) 33.7을 기록한 Engineering, Electrical & Electronic 분야 원톱 최상위 국제 저명 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재된 ‘An n-doped capacitive transparent conductor for all-polymer electrochromic displays’ 논문을 통해 확인 가능하다. 

송 교수 연구팀은 “전기변색 디스플레이는 자연광을 조절해 이미지를 업데이트할 때에만 에너지를 사용하기에 제한된 전원 공급을 받는 웨어러블 기기에 매우 적합하다. 이번 연구에 이용한 새로운 유연 전도성 고분자는 투명 전극과 이온 저장층으로 동시에 작동할 수 있어 디스플레이 구조를 대폭 단순화할 수 있다”고 전했다.