40년 된 문제를 해결하고 강유전성 나일론 박막 커패시터 제조 공정을 개발

나일론으로 만들어진 휴대용전자제품

40년 연구 후 마침내 성공

 

40 년이 지난 후 연구원들은 전기적으로 사용할 수 있는 성질을 가진 초박형 나일론 층(소위 강유전성 나일론)을 처음으로 생산했다.

단지 수백 나노미터 두께인 이러한 중합체 층은 트랜지스터, 다이오드 또는 마이크로 커패시터와 같은 얇고 투명한 전자 장치를 가능하게 한다. 이러한 나일론 전자 장치를 위한 새로운 제조 공정은 구체적인 적용 가능성을 열어준다.

 

▲ 나일론은 미래에 유연하고 투명한 전자 회로의 중요한 구성 요소가 될 수 있다. © MPI-P

 

플렉시블 전자제품, 예를 들면 휘어지는 디스플레이, 확장형 태양전지 또는 의류로 직조된 발광 다이오드의 형태 등은 휴대 가능한 전자제품이 유행이다. 연구원들은 또한 다양하게 변형가능하고 유연하게 패치 가능한 센서를 개발했다. 이러한 전자 헬퍼(Helfer)의 대부분은 금속 전극과 같은 고전적인 재료로 만들어진 구성 요소를 기반으로 하며 극도로 미세한 와이어로 만들어진다.

 

전자 재료로서의 폴리머

전자 기본 재료로 적합한 비금속 물질도 있다.

그중 하나는 나일론이다. 일반적으로 여성의 고급 스타킹과 합성 섬유에 더 많이 사용되는 플라스틱이다. "거의 30 년 전, 일부 나일론도 강유전체 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다"고 마인츠Mainz에 있는 Max Planck Institute for Polymer Research의 Saleem Anwar는 설명했다.

 

강유전성 재료가 전기장에 노출 될 때, 반대 전하의 2 개의 극이 재료 내에 형성된다.

이 극성은 전기로 전환 할 수 있다.

이러한 특성 때문에 강유전체 재료는 특히 센서, 액추에이터, 커패시터 및 데이터 저장 장치로 사용된다.

 

그러나 지금까지 대부분의 강유전체는 세라믹을 기반으로 하므로 연구원들이 설명하는 것처럼 유연한 응용에 적합하지 않다. 나일론과 같이 유연하고 신축성이 있는 폴리머가 훨씬 좋다. 이들은 적합한 용매로 액화 될 수 있고 유연한 강유전체에 대해 저렴한 비용으로 용해된 상태로 처리 될 수 있기 때문이다.

 

먼저 녹인 후 진공 건조

아이러니하게도, 강유전성 나일론-11은 이전에는 초박막으로 제조 할 수 없었다.

지금까지의 시험에서는 현대의 첨단 전자 기기에는 너무 두꺼운 수십 마이크로미터 두께의 필름이 생산되었다. 안바르(Anwar)와 그의 팀은 “초기 흥분은 용액 공정을 통해 강유전성 나일론 박막을 만들지 못했기 때문에 매우 실망했다”고 설명했다.

 

연구진은 이 40년 된 문제를 해결하고 강유전성 나일론 박막 커패시터 제조 공정을 개발했다. 이를 위해 나일론을 트리플루오로아세트산과 아세톤의 혼합물에 용해시켰다. 이어서 나일론 용액을 기판 상에 얇은 층으로 분무하고 진공에 노출시킨다. 이것은 용매를 기화시켜 초박형 나일론 필름을 남긴다.

 

초박형의 강유전성 나일론

요점은 최종 나일론 박막이 사람의 머리카락보다 100 배 더 얇을 뿐만 아니라 강유전체를 만드는 분자 구조를 가지고 있다는 것이다. 이것은 강한 수소 결합으로 연결된 약하게 정렬된 중합체 사슬로만 구성된다.

연구진은“이 박막의 강유전체 특성은 더 두꺼운 나일론 층의 특성과 비교할 만하다”고 보고했다. 얇은 나일론 층은 매우 매끄럽고 틈이나 구멍이 없다.

Anwar의 동료인 Kamal Asadi는 설명한다. “예를 들어 커패시터의 전기적 고장과 전자 회로의 파괴를 막기 때문에 매우 중요하다. 동시에, 박막은 매끄러움으로 인해 투명하여, 투명 전자 장치를 가능하게 한다."

 

테스트에서 최초의 나일론 커패시터

 

첫 번째 테스트에서 연구원들은 새로 개발된 공정을 사용해 고성능 나일론 커패시터를 생산했다. 이 프로토타입은 탄력성과 내구성을 테스트하기 위해 여러 전압사이클에서 테스트를 거쳤다.

Anwar와 그의 팀 보고서에 따르면, 결과적으로 초박형 나일론 커패시터는 수백만 건의 로딩 및 언 로딩 작업 중에도 안정적으로 유지됐다.

따라서 초박형 나일론 층은 미래에 플렉시블 전자 제품의 중요한 부분이 될 수 있다.

연구원들은 “이러한 나일론은 플렉시블 기기, 소프트 로봇, 생체 의학 기기 및 전자 섬유와 같은 응용 분야에 매력적”이라고 말했다.

 

(Science Advances, 2019; doi : 10.1126 / sciadv.aav3489)

출처 : Max Planck Institute for Polymer Research

[더사이언스플러스=편집국 ]

 

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