OLED, 태양전지 등 다양한 전자소자의 신성장 동력 제시

한국연구재단(이사장 이광복)은 한양대 에너지공학과 장재영 교수연구팀이 기존 한계를 극복하는 신규 ‘유기 도펀트’ 소재군을 개발했다고 밝혔다.

유기 도펀트(organic dopant)는 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 제어하는 데 쓰이는 탄소계 유기분자 형태의 첨가제이며 p-형 반도체의 특성을 향상시키는 도펀트는 ‘유기 p-도펀트’라고 한다. 하지만 유기 p-도펀트는 그램당 가격이 수십만 원에 달할 정도로 비싸고, 제 기능을 하기 위한 화학적 구조도 상당히 제한적이라는 한계가 있었다. 특히 상업적으로 특정 업체가 세계 시장에서 독점적인 지위를 구축하고 있어 이를 회피할 새로운 화학적 구조 개발에 대한 필요성이 대두되고 있었다.

연구진은 이전에 널리 사용되었던 전략과 달리 도펀트 분자에 곁가지처럼 붙어 소재의 특성을 제어하는 전자 구인성 작용기에 변화를 주었다. 즉, 기존 전자 구인성 작용기인 시아노(CN)기 내의 질소(N) 원자를 루이스 산과 반응시키면 강한 산화성과 안정성을 동시에 지닌 유기 p-도펀트를 합성할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이다. 루이스 산-염기 결합 후 시아노기의 전자 구인성은 두 배 가까이 향상되어 지금까지 알려진 유기 p-도펀트 중 가장 강력한 산화성을 보였고, 도펀트의 크기가 증가하면서 도펀트의 고정성이 높아져 도핑의 안정성 또한 비약적으로 향상되었다.

본 연구에서 제시하는 유기 p-도펀트 소재군은 자체적인 특성이 최고 수준이면서도 자유롭게 화학적 구조의 변형이 가능하여 이전엔 시도되지 못했던 분야에까지 활용이 가능하다. 또한 합성 방법이 단순하고 저렴한 시약을 사용할 수 있어 유기 p-도펀트의 가격을 수 십 배 낮출 수 있는 등 잠재성이 매우 크다.

한편 연구팀은 본 연구에서 부족했던 전기적 성능을 극대화하기 위해 최적의 소재를 탐구하고 있으며, 이에 기반한 다양한 공정 기술을 개발 중이다.

과학기술정보통신부의 재원(선도연구센터지원사업, 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 화학 분야 세계적 권위지인 「Angewandte Chemie International Edition」 9월 11일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.

장재영 교수

서의현 연구원

[그림1] 신규 유기 도펀트 소재의 합성전략 및 도핑특성

[그림2] 신규 유기 도펀트 소재군의 화학구조 및 도핑 안정성

[그림3] Angewandte Chemie International Edition 표지 사진