한양대 에너지공학과 장재영 교수, 한양대 유기나노공학과 정인환 교수, 한국교통대 정용진 교수팀이 용액 상에서 일어나는 공액 고분자의 분자도핑 반응 원리를 규명했다고, 한양대가 20일 밝혔다. 

해당 기술은 에너지 하베스팅 소자, 유기발광다이오드(OLED), 유기트랜지스터 등 공액고분자로 구성된 다양한 전자소자의 성능을 향상시키고 공정을 간소화할 수 있어 생산비용을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

여러 탄소원자가 연이어 단일-이중 결합을 반복 형성하는 공액구조는 유기물에 반도체 특성을 부여하는 핵심구조다. 여러 유기물 중 플라스틱처럼 무수히 많은 수의 공액구조를 지닌 단량체가 반복 연결된 공액고분자는 구부러지거나 늘어나는 특성을 가져 웨어러블 전자소자의 핵심 소재로 연구되고 있다. 특히 공액고분자의 특성을 제어하고자 분자 형태의 첨가제를 혼합하는 ‘분자도핑(molecular doping)’ 기술은 최근 많은 연구자들의 관심을 받고 있다.

여러 첨가제 중 ‘2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane’(이하 F4TCNQ)’은 산화성이 강하고 화학적 안정성이 우수한 물질이다. F4TCNQ를 이용한 도핑 반응에 대해 수많은 연구가 이뤄졌지만 아직 용액 상에서 일어나는 도핑 반응에 대한 이해는 부족했다. 또 용액에서 공액 고분자와 첨가제를 혼합해 공정을 간소화하고 비용을 절감시킬 수 있는 ‘용액 혼합법(solution mixing)’에 대한 필요성이 제기됐다.

공동 연구진은 F4TCNQ의 용액 상 도핑 반응 원리를 밝히고자 주사슬의 구조는 같지만 곁사슬이 서로 다른 세 가지 공액고분자를 합성했다. 주사슬은 공액구조를 지녀 전하가 이동하는 통로의 역할을 하며, 곁사슬은 주사슬에 곁가지로 붙어 고분자를 용매에 녹인다. 

연구진은 곁사슬을 조절해 세 고분자의 용해도에 변화를 줬다. 그 결과 용해도가 낮은 고분자일수록 용액 상에서 더 응집되는 현상을 발견했고, 고분자가 더 응집돼 있을수록 더 효율적인 도핑 반응이 발생했다. 이렇게 도핑된 고분자 용액을 이용해 박막으로 코팅했을 때, 효율적인 도핑은 통로의 역할을 하는 주사슬 내에 전하의 수를 늘려 박막의 전기전도성과 열전특성을 향상시켰다.

연구진은 이번 연구를 통해 곁사슬이 공액 고분자에 단순히 용해도를 부여할 뿐 아니라 용액 상에서 응집 정도를 제어함으로써 도핑 효율을 향상시키고 나아가 유기 열전소자의 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 증명했다. 

이번 연구의 의의는 용액 상 도핑 효율을 높여 공액고분자 기반 전자소자의 성능을 향상시키고, 공정을 간소화해 제작비용을 절감할 수 있는 기술을 개발했다는 것이다.

장재영 교수는 “이번 연구를 활용할 경우 공액고분자의 곁사슬이 용액 상 도핑 반응에 미치는 영향에 대한 이해에 도움을 주는 동시에 대면적 용액 공정을 도입해 비용을 절감하는 등 산업적으로도 큰 역할을 할 것”이라고 말했다.

과학기술정보통신부의 재원(선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 기초연구실사업, 나노및소재기술개발사업, 인공지능대학원지원사업)으로 한국연구재단의 지원과 한양대학교 교내연구지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 재료과학 분야 세계적 권위지인 「Advanced Functional Materials」 16일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.