▲ 이태우 교수 연구팀이 사용한 불화 고분자산의 화학구조 (위), 기존의 휘발성 저분자를 불화 고분자산으로 대체한 그래핀 도핑 공정의 모식도 (아래)

서울대 공대 연구팀이 그래핀의 전도도를 두달 이상 안정적으로 유지할 수 있는 도핑법을 찾아내 유연 디스플레이 등에 사용되는 그래핀 전극 상용화에 기여할 전망이다.

서울대 공대(학장 차국헌)는 이태우 재료공학부 교수 연구팀이 세계 최초로 불화 고분자산을 이용해 그래핀 전극의 도핑 안정성을 상업화에 용이한 수준으로 개선시키는 방법을 개발하고, 이를 이용해 고효율의 유연 유기 발광 소자를 구현했다고 지난 24일 밝혔다.

그래핀은 탄소 원자 한 개정도 두께의 층이 육각형 벌집 모양으로 연결되어 이루어진 세상에서 가장 얇은 전도체로 플렉서블 디스플레이, 태양전지, 배터리 등 다양한 분야에 응용가능한 신소재로 각광받고 있다.

기존 저분자에 기초한 화학적 도핑법은 도핑 특성은 뛰어나 전기전도도는 증가시킬 수 있으나 공기중에서 수분과 반응하는 성질 등으로 인해 도핑 능력을 잃어 버리는 난제가 있었다.

이에 연구진은 전도도 향상 뿐 아니라 대기 안정성 60일 이상 유지되며, 300도의 고온이나 산 과 유기용매에 대한 안정성까지 확보할 수 있는 불화 고분자 도핑법을 개발했다.

연구진은 그래핀의 도핑 특성을 유도하면서 화학적으로 안정한 불소기로만 구성된 불화 고분자 산을 구상해 그래핀의 도펀트로 적용했다.

공기 중에 불안정한 저분자 도펀트의 도핑 효과와는 달리 그래핀에 불화 고분자산을 도핑할 경우, 2달 이상 공기 중에서 도핑 효과가 안정하게 유지됨은 물론, 다양한 유기용매와 산 용액 환경에서도 도핑 효과가 안정적으로 유지됨을 확인했다.

고분자 도펀트를 이용한 도핑 효과는 열에 의해 오히려 강화되는 특성을 보였고 이에 대한 원리를 규명했다.

또한, 고분자산 도핑된 그래핀을 유기발광다이오드(OLED)의 전극으로 적용하여 고효율의 OLED를 구현하게 됐다.

논문의 교신저자인 이태우 교수는 “그래핀 전극 기반 유연 유기 광전 소자 연구가 상용화로 진행되기에 가장 큰 난제 중 하나였던 그래핀 도핑 안정성을 크게 개선함으로 인해 그래핀 전극기반 유연 광전소자 연구의 큰 도약을 이끌 수 있는 기반 기술”이라며 의의를 밝혔다.

이어 “유연 디스플레이 및 태양전지 등에 사용되는 그래핀 전극의 상용화를 크게 앞당길 것으로 주목을 모았다”고 설명했다.

한편, 본 연구는 공동 제1저자인 권성주 포스텍 박사과정과 서울대 한태희 박사를 비롯, 포스텍 류순민 교수 연구팀, 서울대 홍병희 교수 연구팀, UNIST 김광수 교수 연구팀 등의 다학제간 공동 연구를 통해 이루어졌다.

또한 국제적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 23일자로 게재됐다.