▲ [이미지제공 = 건국대학교]

건국대학교와 아주대학교 공동연구팀이 유기반도체로 쓰이는 공액고분자의 분자도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자들을 규명하고 전기전도 기능을 획기적으로 높이는 새로운 고분자 순차적 연속 도핑(Doping)기술을 개발했다.

유기반도체 물질인 공액고분자는 용액 공정이 가능해 공정 비용을 절감할 수 있고 유연하고도 가벼운 휴대용 전자 소자로 활용될 수 있어 주목받고 있는 차세대 소재다. 그동안 공액고분자에 대한 활발한 연구는 전하이동도의 비약적인 개선을 확보할 수 있었지만 전기전도도에 동등하게 영향을 미치는 도핑에 의한 전하생성 부족으로 인해 우수한 전기전도도 달성에 한계가 있었다.

건국대 김봉기 교수(화학공학부·대학원 유기나노시스템공학과)와 아주대 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과), 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀은 분자도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자들 규명을 통해 새로운 고분자 도핑 전략을 개발했다.

관련 내용이 담긴 논문은 재료과학 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advaned Materials, IF:27.398)’ 12월 8일 자 표지 논문으로 선정됐으며, 논문 제목은 ‘분자 도판트 기반 캐스캐이드 도핑을 통한 공액고분자의 전기전도도 향상(Improvement of Electrical Conductivity in Conjugated Polymers through Cascade Doping with Small-Molecular Dopants)이다.

김봉기 교수와 김종현 교수, 서형탁 교수가 교신저자로 참여했고 건국대학교 대학원 유기나노시스템공학과 박재홍 학생(석사졸업, 현 효성 R&DB 센터), 아주대학교 대학원 분자과학기술학과 윤상은 학생(석박사 통합과정) 및 KIST 전북분원 권지언 박사가 제1저자로 함께 했다. 또한 건국대학교 김기출 교수(화학공학부·대학원 화학공학과)도 공동 연구자로 참여해 캐스캐이드 분자도핑의 효용성 검증에 기여했다.

분자도핑의 효율은 전자를 제공하는 공액고분자의 HOMO(highest occupied molecular orbital)준위와 전자를 받는 도판트의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)간의 에너지옵셋(energy off-set, HOMO-LUMO) 정도에 비례하는 것으로 알려져 있지만, 이번 연구에서는 LUMO 준위가 서로 다른 도판트들을 연속적으로 사용했을 때 도핑 효율이 더욱 증가하는 것을 확인했으며 이러한 전략을 통해 600 S/cm 이상의 분자도핑 기준 세계 최고 수준 전기전도도를 확보할 수 있었다.

특히 공액고분자와 에너지옵셋이 큰 도판트를 사용한 경우 도핑효율이 낮은 원인이 동역학적 원인에 기인하는 것을 규명했으며 이러한 경우 공액고분자와 에너지옵셋이 낮지만 동역학적으로 도핑효과가 우수한 분자도판트를 통해 1차 도핑을 진행한 후 에너지옵셋이 높은 2차 도판트를 활용하는 경우 도핑효과가 급격히 증가할 수 있음을 규명했다. 또한 이러한 원인은 분자도핑과 관련된 활성화 에너지 감소에 기인하는 것으로 확인됐다.

이번 연구는 다양한 분자형 도판트들의 에너지 준위, 동역학/열역학적 평형상태 및 최종 도핑된 고분자의 전기전도도에 대한 심층적 고찰 및 효과적인 분자도핑 전략을 제공하고 있기 때문에 유사한 전략을 활용한다면 답보 상태에 있는 유기 전도체의 전기전도도 추가 향상을 기대할 수 있을 것이다. 또한 개발된 순차적 연속도핑 전략 및 신규 소재 개발이 병행된다면 기존의 금속 및 산화막 형태의 무기물 전도체를 대체할 수 있는 수준인 유기물 기반 유연 전도체 개발도 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단의 개인기초연구지원사업(신진연구자지원사업(후속)) 및 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터(후속))의 지원을 받아 수행됐다.