Development of smart electrode using PEDOT:PSS

Abstract

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) is one of the most widely used conjugated polymers due to its intrinsic mechanical, electrical, and optical properties, making it a popular candidate for electrodes in electronics. A new method for synthesizing conductive PEDOT:PSS-based composites is proposed, and PEDOT:PSS electrodes with various functionalities(stretchable, transparent, and shape memory) are developed. A novel method for fabricating conductive PEDOT:PSS composites has been suggested to overcome the limitation of existing synthesis methods. Previously, an acid catalyst or a strong oxidant was required to induce oxidative polymerization of the monomer, EDOT (3,4-Ethylenedioxythiophene). However, the PEDOT:PSS-AgNP(silver nanoparticle) nanocomposite was developed through an in-situ synthesis without an acid catalyst via a spontaneous redox reaction between silver precursor and EDOT. Firstly, the effect of solvents on the reaction was investigated, and high-quality PEDOT:PSS-AgNP nanocomposites were found to be formed in the organic solvent; acetonitrile. Secondly, the influence of polymer additives such as PSS ions and PVP was examined. The addition of PSS ions led to the formation of PEDOT:PSS, and inclusion of a small amount of PVP enabled the production of a nanocomposite with smaller-sized and well-distributed AgNPs without the need for acid catalyst. Finally, the mechanism for synthesis process is also proposed. To impart stretchability to PEDOT:PSS, a composite was fabricated by combining it with elastomer PDMS (polydimethylsiloxane) to overcome its intrinsic brittleness. The presence of a polymer component in immiscible blends of polymers causes phase separation, resulting in different polymer morphologies that range from dispersed spherical particles to a continuous matrix phase, depending on the weight ratio of the polymers. Firstly, the surface energy of the component was calculated using the geometric mean method to analyze its affinity with the substrate. The PEDOT:PSS and PDMS in the coated layer vertically phase separate, forming a bilayer structure owing to their different affinities to the poly(ethylene terephthalate) (PET) substrate. Secondly, the morphology of bottom layer was analyzed and mechanism was proposed. Bar-coating a solution of PEDOT:PSS blended with a high fraction of PDMS and a surfactant results in a continuous PEDOT:PSS matrix distributed with spherical PDMS islands. When cured at 100 °C, water and other volatiles in the PEDOT:PSS phase in the bottom layer evaporate, generating spaces that are subsequently filled with PDMS from the phase-separated top layer. Finally, the electrical, optical and mechanical properties were measured. A new technique for creating a shape memory composite film of PEDOT;PSS by using an air plasma-treated substrate. Firstly, surface modification of a commercial polypropylene(PP) substrate was achieved using air-plasma treatment. The surface energy of a commercially available PP substrate was increased and water contact angle was decreased through air plasma treatment. Plasma treatment increases the surface energy of the PP substrate, enabling PEDOT:PSS with high surface energy to accumulate at the substrate/film interface, which transforms the bottom layer of the composite film into a continuous matrix of PEDOT:PSS and isolated islands of epoxy. Secondly, the mechanism of bottom layer formation was proposed. Upon thermal curing, the size of the epoxy islands increases due to water evaporation from the PEDOT:PSS aqueous solution and crosslinking of the epoxy resin. Finally, shape memory characteristics were measured.

본 연구의 목적은 PEDOT:PSS를 이용한 전극의 새로운 합성 방법을 제시하고 투명성, 신축성 및 형상기억 성능을 가진 전극을 제작하는 것이다. 이를 위한 일련의 연구들이 다음의 순서로 진행되었다. 기존의 PEDOT:PSS 합성 방법의 한계를 극복하기 위해 산 촉매나 강한 산화제가 필요하지 않은 자발적인 산화 환원 반응을 통해 PEDOT:PSS와 은나노파티클의 복합체를 in-situ로 합성하는 방법을 제시하였다. 복합체 형성에서 용매의 영향을 분석하였고, 이를 통해 유기 용매인 아세토니트릴에서 고품질의 PEDOT:PSS-AgNP 나노복합체가 형성되었다. 또한, 고분자 첨가제인 PSS이온과 PVP의 영향도 분석하였다. PSS이온의 첨가로 인해 PEDOT:PSS가 형성되었으며, 적은 양의 PVP를 첨가함으로써 더 작은 크기의 잘 분산된 은나노파티클이 포함된 나노복합체를 제조했다. 또한, 나노복합체 제작 메커니즘을 제시하였다. 마지막으로, 제조한 나노복합체가 포함된 섬유를 전기방사와 자외선 환원법으로 제작하였다. 다음으로는 다양한 기능성을 가진 PEDOT:PSS 기반 전극을 제작하였다. 우선, 투명성과 신축성을 가진 전극을 제작하기 위해 PDMS와 결합한 복합체를 제작하였다. 고분자 혼합물의 각 요소에 대한 표면 에너지를 계산하고 이를 통해 기판과의 친밀성 차이를 통한 수직 상분리를 이끌어냈다. 이러한 수직 상분리를 통해 비율이 매우 낮은 PEDOT:PSS가 복합체 아랫면에 연속적인 매트릭스를 가지게 되어 높은 전도도를 가졌다. 각 고분자 혼합물의 비율 별 표면 형태를 분석하였고 연속적인 PEDOT:PSS 매트릭스에 고립된 섬 형태의 PDMS 가 분포되어있는 구조가 비율에 관계없이 형성되는 것을 확인하였다. 복합체 필름을 이용하여 높은 투명도를 가지면서 매우 높은 신축성을 확보한 전극을 개발하였다. 마지막으로 이전에 존재하지 않은 형상 기억 성능을 가진 PEDOT:PSS 기반 전극을 제작하였다. 형상 기억 성능을 확보하기 위해 형상 기억 에폭시 수지와의 결합을 통한 복합체를 제작하였다. PEDOT:PSS와 에폭시 수지의 적은 표면 에너지 차이를 극복하기 위해 기판을 화학적 수정을 하였다. Air-plasma 공법을 통해 기판의 표면을 친수성으로 만들어 표면 에너지를 높였다. 수직 상분리를 통해 비율이 낮은 PEDOT:PSS가 아랫면에 연속적인 매트릭스를 형성한다. 복합체의 표면 형태를 분석하여 바다-섬 구조를 가지며 이에 대한 메커니즘을 제시하였다. 복합체 필름은 에폭시 수지 덕분에 형상기억 성능을 가지고 있으며, 형상 기억 반응을 일으킬 때도 전기 전도도가 유지되는 특징을 보였다. 기존 연구들에서 제시되었던 신축성, 유연성 및 투명성을 넘은 형상 기억 성능을 확보한 새로운 형태의 스마트 전극을 제시하였다.