아주대·건국대 공동 연구팀, 고분자 순차적 연속 도핑 기술 개발

 우리 학교와 건국대학교 공동 연구팀이 분자 도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자 규명을 통해 새로운 고분자 도핑 전략을 개발하는 데 성공했다.

 우리 학교 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽) 그리고 김봉기 건국대 교수(화학공학부) 팀이 함께 한 이번 연구 내용이 담긴 논문은 재료과학 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advaned Materials, Impact Factor:27.398)>의 12월 10일자 표지 논문(front cover page)으로 선정됐다. 김종현 교수, 서형탁 교수와 김봉기 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대학교 대학원 분자과학기술학과에 재학 중인 윤상은 학생(석박사 통합과정)이 제1저자로 참여 했다.

논문 제목은 ‘분자 도판트 기반 캐스캐이드 도핑을 통한 공액고분자의 전기전도도 향상( Improvement of Electrical Conductivity in Conjugated Polymers through Cascade Doping with Small-Molecular Dopants)’ 이다.

유기반도체인 공액고분자에 대한 그동안의 활발한 연구는 전하 이동도의 비약적인 개선을 확보할 수 있었지만, 전기 전도도에 동등하게 영향을 미치는 도핑에 의한 전하 생성 부족으로 인해 우수한 전기 전도도 달성에는 한계가 있었다.

분자도핑의 효율은 전자를 제공하는 공액고분자의 HOMO(highest occupied molecular orbital)준위와 전자를 받는 도판트의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)간의 에너지 오프셋(energy off-set, HOMO-LUMO) 정도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 LUMO 준위가 서로 다른 도판트들을 연속적으로 사용하였을 때 도핑 효율이 더욱 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 전략을 통해 600 S/cm 이상의 분자 도핑 기준 세계 최고 수준 전기 전도도를 확보할 수 있었다.

특히 공액고분자와 에너지 오프셋이 큰 도판트를 사용한 경우 도핑 효율이 낮은 원인이 동역학적 원인에 기인하는 것을 규명했다. 이러한 경우 공액고분자와 에너지 오프셋이 낮지만 동역학적으로 도핑 효과가 우수한 분자도판트를 통해 1차 도핑을 진행한 후 에너지 오프셋이 높은 2차 도판트를 활용하는 경우 도핑 효과가 급격히 증가할 수 있음을 밝혔고, 이러한 원인은 분자 도핑과 관련된 활성화 에너지 감소에 기인하는 것으로 확인되었다.

김종현 교수는 “이번 연구는 다양한 분자형 도판트들의 에너지 준위, 동역학·열역학적 평형상태 및 최종 도핑된 고분자의 전기전도도에 대한 심층적 고찰과 효과적인 분자도핑 전략을 제공하고 있다”며 “유사한 전략을 활용한다면 답보 상태에 있는 유기 전도체의 전기전도도 추가 향상을 기대할 수 있다”고 설명했다.

또한 개발된 순차적 연속도핑 전략 및 신규 소재 개발이 병행된다면 기존의 금속 및 산화막 형태의 무기물 전도체를 대체할 수 있는 수준의 유기물 기반 고유연·고신축 전도체 개발도 가능할 전망이라고 연구팀은 전망했다.