▲ 퀴노이드 단량체와 이를 도입해 만든 퀴노이드 기반 고분자의 구조

국내 연구진이 쉽고 간단한 제조공정으로 향후 저렴한 단가의 유기 반도체 소재의 제조에 기여할 것으로 기대되는 유기 반도체 소재를 개발했다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)는 김동유 신소재공학부 교수 연구팀이 높은 전기적 특성을 보이는 새로운 형태의 퀴노이드(Quinoid) 구조 기반의 공액 고분자 개발에 성공했다고 지난 14일 밝혔다.

유기 반도체 물질인 공액 고분자(전기적 특성을 가질수 있는 고분자)는 용액 공정이 가능해 공정비용을 절감시킬 수 있고 가볍고 유연한 휴대용 전자 소자에 대한 적합성이 높아 차세대 반도체 소재로 많은 주목을 받고 있다.

그러나 유기 반도체 물질은 제조 과정이 복잡하고 재료 자체의 가격이 높을 뿐만 아니라 무기 반도체 기반 트랜지스터보다 다소 성능이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구팀은 이러한 한계를 돌파하기 위해 제조 방식이 쉽고 간단한 새로운 형태의 쿼노이드 구조 기반의 고분자 반도체 물질을 개발했으며, 이를 이용한 고성능 유기 박막 트랜지스터를 구현했다. 연구진의 고분자는 기존의 퀴노이드 공액 고분자 중 가장 높은 성능이었다.

퀴노이드란 유기 화합물 중 방향족 고리가 이중 결합으로 연결된 구조를 가지는 화합물인데 연구진은 퀴노이드라는 이제까지 적용되지 않았던 새로운 형태의 구조를 이용해 높은 전하 이동도를 가지는 유기 반도체 물질로서의 가능성을 열었다.

퀴노이드 형태는 전기적 특성이 우수한 구조로 알려져 있었으나, 고분자 내 도입에 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 새로운 퀴노이드 분자 구조를 설계하고 쉽고 간단한 제조 방식을 이용해 고분자 사슬 내에 성공적으로 도입시켰다. 그리고 이를 유기 박막 트랜지스터에 적용시켜 최고 8cm² V-1 s-1의 유연 디스플레이의 구동에도 사용 가능한 정도의 높은 전하 이동도를 얻어냈다.

김동유 교수는 “이번 연구를 통해 고성능 유기 박막 트랜지스터를 위한 유기 분자 구조의 설계 방법으로 퀴노이드 구조를 공액 고분자에 도입하는 것이 매우 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인했다”고 밝혔다.

이어 “더 높은 전기적 특성을 갖는 새로운 구조의 유기 반도체 소재를 합성할 수 있는 원천 기술을 확보했다는 것이 이번 연구의 가장 큰 성과”라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 권위 있는 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF: 19.791)에 4월 23일자로 게재됐다. 또한 어드밴스드 사이언스 뉴스(Advanced Science News)에 비디오 앱스트랙트(Video Abstract)로 2018년 상반기에 공개될 예정이다.