[유기열전반도체의 용액 상 분자도핑 반응 원리 규명]

국립한국교통대학교(총장 직무대리 정기만) 에너지소재공학전공 정용진 교수, 한양대 에너지공학과 장재영 교수, 한양대 유기나노공학과 정인환 교수팀이 최근 유기열전반도체용 공액고분자의 용액 상 분자도핑의 원리를 규명했다고 밝혔다. 해당 기술을 활용할 경우 향후 유기열전소자의 성능을 향상시키는 동시에 공정을 간소화할 수 있어 미래에 산업적으로 큰 가치를 지닌 기술로 예상된다.

탄소와 탄소 사이 단일결합과 이중결합이 하나 건너 배열된 공액고분자는 반도체적 성질을 가지면서도 구부러지거나 쉽게 늘어나기 때문에 웨어러블 전자소자의 핵심 소재로 많은 연구가 진행되고 있다.

공액고분자의 열-전기 변환 응용을 위해서는 분자 형태의 첨가제인 도펀트를 혼합하는 ‘분자도핑(molecular doping)’을 진행하는데, 이 과정에서 일어나는 용액상 도핑 메커니즘에 대한 이해는 부족한 상황이었다.

연구팀은 용액상에서 공액고분자와 도펀트를 혼합한 뒤 코팅하는 용액 혼합법(solution mixing)에 과정에서 공액고분자의 곁사슬 디자인에 따라 용액 상에서 응집된 정도가 다른 것을 관찰하였고, 이로 인해 완전전하전달(integer charge transfer)반응을 유도할 수 있었다.

완전전하전달은 공액고분자 내에 존재하는 자유 전하량을 상당히 향상시킬 수 있어 높은 전기전도성을 요구하는 유기열전소자 등의 분야에서 성능을 극대화하는데 유리한 반응이다. 요약하자면 용액 상에서 도핑 반응을 일으킬 때 공액고분자의 응집된 정도가 핵심적인 역할을 함을 확인하고, 고분자의 곁사슬이 공액고분자에 단순히 용해도를 부여하는 것 이외에도 용액 상에서 응집된 정도를 제어하여 유기열전소자의 성능을 상당히 향상할 수 있음을 보고했다.

한국교통대학교 에너지소재공학전공 정용진 교수는 “이번 연구는 공액고분자의 곁사슬을 조절하는 것이 용액 상 도핑 반응을 제어하여 유기전자소자의 성능을 크게 향상시킬 핵심 전략으로 사용할 수 있음을 드러냈으며, 이를 이용하면 유기전자소자에 도입될 용액 공정을 간소화하여 비용을 절감할 수 있을 것이다”라고 말했다.

이번 연구는 재료과학 분야 세계적 권위지인 「Advanced Functional Materials」 16일자에 게재됐으며, 표지논문 (Inside cover)으로도 선정됐다.