기능성 고분자 - 전기 전도성 고분자, 압전성 고분자

기능성 고분자

 기능성 고분자는 기술 선진국을 중심으로 더 높은 부가가치를 지닌 고분자 재료로서 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있는 분야입니다. 이러한 기능성 고분자재료는 빛, 전기, 열, 압력과 같은 기계적 외부 자극에 대응하는 능력을 갖추고 있으며, 이러한 능력을 활용하여 소재나 부품에 적용됩니다.

 

 일반적으로 가장 초기에 개발된 기능성 고분자 재료로는 이온교환수지가 주로 받아들여지고 있습니다. 그러나 20세기 후반부터는 다양한 종류의 기능성 고분자들이 등장하기 시작했습니다. 이 중에는 감광성 고분자가 있습니다. 이는 코팅을 통해 제품의 표면을 개질하는 데 사용되며, 빛에 반응하여 변화하는 특성을 지니고 있습니다. 또한, 고강도 내열성 고분자는 제품의 사용 온도를 높이는 데 활용됩니다.

 

 전자공업에서는 칩 제조에 필수적으로 사용되는 포토레지스트 고분자가 있으며, 생분해성 고분자와 전기전도성 고분자 등 다양한 종류의 기능성 고분자가 개발되었습니다. 어떤 종류의 기능성 고분자들은 특정 용도에 국한되지 않고 일상생활에서 널리 사용되며, 가격도 비교적 저렴하여 오늘날에는 기능성 고분자로 분류하기에는 적합하지 않을 수 있습니다.

 

 이러한 경우에는 해당 고분자들이 일반적인 소재로서 사용되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 플라스틱과 같은 일반적인 고분자 소재들은 다양한 용도로 널리 사용되며, 이러한 경우에는 단순한 고분자의 특성보다는 제품의 물성과 사용 용도에 따라 다양한 소재로 구분되기도 합니다.

전자 기능성 고분자

 전자 기능성 고분자는 전기전도성 고분자와 압전성 고분자로 구성됩니다.

 

 전기전도성 고분자는 전기를 전달하거나 전기를 저장하는 데 사용되는 고분자로, 전자의 이동이 가능한 소재입니다. 일반적으로 전자 공학 및 전자기기 분야에서 사용됩니다.

 

 압전성 고분자는 전기장에 의해 변형되는 소재로, 전기장에 따라 일정한 변형을 겪는 물질입니다. 이러한 소재는 센서, 변환기 및 전기기기의 부품으로 사용되어 전기적 신호를 감지하거나 전기적 에너지를 변환하는 등의 역할을 수행합니다.

전기전도성 고분자

 대부분의 유기고분자는 전기의 전도성에 있어서는 절연체입니다. 그러나 전자가 짝이 된 (Conjugated) 구조의 몇몇 고분자에서는 반도체 수준의 고유한 전기전도성이 발견되었고, 이에 대한 연구가 광범위하게 진행되었습니다. 이러한 전도성 고분자 연구의 출발점은 일본의 시라카와(Shirakawa)가 발견한 폴리아세틸렌의 합성과 요오드 도핑을 통한 전도성의 급격한 증가입니다.

 

 폴리아세틸렌 중에서도 특히 트랜스 구조의 고분자가 높은 전도성을 나타내는데, 이는 전자가 길게 짝이 된 (Conjugated) 이중결합이 무한히 연결된 구조가 전도성 발현을 위한 이상적인 화학 구조임을 나타냅니다. 그러나 폴리아세틸렌은 산화나 열에 매우 취약한 단점이 있어 응용에 있어서 한계를 나타냅니다.

 

 그 후, 전도성의 발현을 위한 이상적인 공액(Conjugated) 구조와 안정성을 동시에 갖춘 몇 종류의 전도성 고분자가 발견되었습니다. 이 중 대표적인 것들은 다음과 같습니다: 

 

전도성 고분자

 

 위에서 언급된 것들은 전도성 고분자의 기본 골격 구조를 나타냅니다. 이들의 용해성, 가공성, 안정성을 향상시키기 위해서는 측쇄의 도입이나 공중합 등의 방법을 통해 수많은 변화가 이루어질 수 있습니다.

 

 특히 이들 고분자의 입체구조가 전기적 성질에 큰 영향을 미치며, 측쇄의 입체 위치 규칙성(Regiospecificity) 또한 전기적 성질을 결정하는 중요한 요소로 확인되고 있습니다.

 

 폴리아세틸렌은 전이금속 촉매를 이용한 연쇄 중합으로 합성됩니다. 반면에, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜은 화학적 중합법이나 전기화학적인 산화법을 사용하여 합성됩니다.

 

 많은 경우 합성 과정에서 도핑(Doping)이 진행됩니다. 특히 폴리아닐린의 경우, 색과 전도성이 차이 나는 4단계의 산화/환원 과정이 수반됨으로써 도핑이 이루어지는 것으로 널리 알려져 있습니다.

 

 전도성 고분자는 유기고분자 자체로 전도성을 나타낼 수 있으며, 고분자 주쇄의 산화 및 환원과정을 수반한 도핑을 통해 전도성의 변화가 급격하게 이루어집니다. 이러한 산화환원 반응을 이용하여 고분자전지의 양극 및 음극재료로 사용할 수 있으며, 부도체인 일반 유기고분자와 블렌딩하여 전도성이 있는 고분자 복합재료로 활용될 수도 있습니다. 또한, 금속의 부식 방지를 위한 코팅이나 투광되는 빛의 양을 조절할 수 있는 스마트 윈도우 등에도 이러한 전도성 고분자의 응용이 연구되고 있습니다.

압전성 고분자

 압전성 고분자(Piezoelectric Polymer)는 압력의 변화를 전기 흐름의 변화로 전환할 수 있는 고분자 재료를 말합니다. 가장 잘 알려진 압전성 고분자는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Polyvinylidene Fluoride)입니다. 이러한 압전성의 PVDF는 현 재적외선 검지기, 음파 탐지기, 무접촉 스위치, 마이크로폰, 이어폰, 확성기, 도난 경보장치, 화재 경보장치 등에 널리 사용됩니다. 또한, 나일론 11도 PVDF보다는 약간 떨어지지만 압전 효과를 나타내는 것으로 알려져 있습니다.