지스트, 전기적‧자기적 성질 갖는 ‘고성능 유기 반도체’ 소재 개발

[이뉴스투데이 전한울 기자] 광주과학기술원(지스트)은 김동유 신소재공학부 교수 연구팀이 퀴노이드(Quinoid) 구조의 길이를 조절해 고성능의 전기적·자기적 성질을 갖는 공액 고분자를 개발했다고 27일 밝혔다.

유기 반도체 물질인 공액 고분자(전기적 특성을 가질 수 있는 고분자)는 용액 공정이 가능해 공정비용을 절감시킬 수 있다. 또 가볍고 유연한 휴대용 전자 소자로 활용이 가능해 차세대 반도체 소재로 주목받고 있다.

퀴노이드는 유기 화합물 중 방향족 고리가 이중 결합으로 연결된 구조를 가지는 화합물이다.

뛰어난 전기적 특성과 더불어 기존의 유기물에서 관찰하기 힘들었던 자기적 성질을 보이는 물질로 유기 전자소자, 배터리, 스핀트로닉스(전하와 스핀으로 인한 자성을 동시에 활용하는 기술) 등의 핵심 소재로 연구되고 있다.  

퀴노이드는 길이가 길어지면 라디칼(전자가 쌍을 이루지 않고 한 개만 존재하는 상태)을 가질 수 있는데, 라디칼은 스핀을 가지고 있으므로 자기적 성질에 영향을 미칠 수 있다.

라디칼은 다른 물질과 반응하려는 성질이 높아 화학적으로 매우 불안정해 현재까지 라디칼을 가지는 공액 고분자는 거의 개발되지 않았다. 특히 퀴노이드의 길이에 따른 공액 고분자의 특성 변화 연구는 현재까지 밝혀진 바가 없다.

이번 연구로 공액 고분자의 전기적 특성뿐만 아니라 자기적 성질을 향상시킬 수 있는 분자 구조 설계가 가능할 것으로 기대된다.

연구팀은 길이가 다른 두 개의 퀴노이드 구조체를 쉽고 간단한 제조 방식을 이용하여 동시에 얻어내고, 이들을 이용하여 퀴노이드-방향족 공액 고분자 2종을 개발했다. 

길이가 짧은 닫힌 껍질 퀴노이드를 포함하는 공액 고분자는 퀴노이드 구조의 높은 평면성으로 인해 유기 박막 트랜지스터에서 ‘2 cm2 V-1 s-1’ 이상의 높은 전하 이동도를 보였다.

한편 길이가 긴 열린 껍질 구조의 라디칼을 포함하는 공액 고분자는 라디칼의 스핀에 의해 향상된 자기적 성질이 관찰되는 것을 전산 모사와 실험적으로 확인했다.

김동유 교수는 “이번 연구에서 라디칼을 가지는 구조체를 이용한 높은 자기적 성질을 보이는 공액 고분자를 개발할 수 있는 원천 기술을 확보하였다”며 “후속 연구를 통해 더 강한 자성을 가지는 유기물 자성 소재의 개발에 기여하고자 한다”고 말했다.

이번 연구성과는 김동유 지스트 교수 주도 하에, 김윤슬 신소재공학부 박사과정 연구원이 수행하였다.

본 연구는 삼성전자 미래기술육성센터가 추진하는 소재기술사업과 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받았다. 연구 결과는 국제저명학술지인 ‘ACS 어플라이드 머터리얼스&인터페이시스’에 지난 6일 자 온라인판에 게재되었다.