건국대 김봉기 화학공학부 교수와 아주대 김종현 응용화학생명공학과 교수, 신소재공학과 서형탁 교수 연구팀이 공액고분자의 분자도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자들 규명을 통해 전기전도 기능을 획기적으로 높이는 새로운 고분자 도핑(Doping)기술을 개발했다.
유기반도체 물질인 공액고분자는 공정 비용을 줄이면서도 유연하고도 가벼운 휴대용 전자 소자로 활용될 수 있는 차세대 소재이다.
그동안 전하이동도의 비약적인 개선을 확보할 수 있었지만, 전기전도도에 동등하게 영향을 미치는 도핑에 의한 전하생성 부족으로 인해 우수한 전기전도도 달성에 한계가 있었다.
분자도핑의 효율은 전자를 제공하는 공액고분자의 HOMO준위와 전자를 받는 도판트의 LUMO간의 에너지옵셋(energy off-set, HOMO-LUMO) 정도에 비례하는 것으로 알려져 있다.
연구팀은 LUMO 준위가 서로 다른 도판트들을 연속적으로 사용하였을 때 도핑 효율이 더욱 증가하는 것을 확인했다.
이를 통해 600S/cm 이상의 분자도핑 기준 세계 최고 수준 전기전도도를 확보했다.
공액고분자와 에너지옵셋이 큰 도판트를 사용한 경우 도핑효율이 낮은 원인이 동역학적 원인에 기인하는 것도 규명했다.
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 확인했다.
원인은 분자도핑과 관련된 활성화 에너지 감소에 기인하는 것으로 검증됐다.
이번 연구는 다양한 분자형 도판트들의 에너지 준위, 동역학/열역학적 평형상태 및 최종 도핑된 고분자의 전기전도도에 대한 심층적 고찰 및 효과적인 분자도핑 전략을 제공하고 있다.
향후 유사한 전략을 활용한다면 답보 상태에 있는 유기 전도체의 전기전도도 추가 향상이 가능하다는 평가를 받고 있다.
또 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 기대되고 있다.
이번 연구의 논문은 재료과학 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advaned Materials, IF:27.398)’ 12월 8일자 표지 논문으로 선정됐다.
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