벌집 모아 더 큰 벌집 만드니 전기 더 잘 흐른다 - 동아사이언스

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탄소 원자가 6각형 모양을 이룬 고리가 4개 모여 삼각형 형태를 이룬 분자 '트리페닐렌'을 모아 다시 6각형 벌집 구조를 이룬 고분자 물질이 개발됐다. 저렴하고 쉽게 유기반도체 소재로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. IBS 제공

반도체 재료로 널리 사용되는 실리콘보다 전기를 전달하는 성질이 4배 높은 새로운 탄소 기반 유기반도체 소재가 개발됐다. '벌집' 모양 소재를 이용해 더 큰 벌집 모양을 만든 소재로, 기존 무기반도체를 대신해 다양한 기능의 유기반도체 소자를 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 김기문 복잡계자기조립연구단장과 백강균 연구위원, 황인철 선임연구원, 김지홍 SK하이닉스 연구원팀이 실리콘보다 전기적 특성이 우수한 새로운 평면형 고분자를 합성하는 데 성공해 화학 분야 국제학술지 ‘켐’ 24일자에 발표했다.

유기반도체는 현재 널리 쓰이는 실리콘 반도체 등의 무기반도체를 대체할 것으로 기대를 모으는 차세대 반도체다. 무기반도체의 높은 가격과 복잡한 공정, 부족한 유연성 등을 극복할 수 있다. 특히 전도성 고분자를 이용하면 휘어지는 유기반도체 소재를 쉽고 저렴하게 만들 수 있을 것으로 예상돼 활발히 연구되고 있다. 하지만 전도성 고분자는 서로 겹겹이 달라붙어 용액 안에 침전하는 특성이 있어 수십 nm(나노미터. 1nm는 10억 분의 1m) 이상의 면적으로 제조하기가 까다롭다는 단점이 있었다.

연구팀은 탄소 원자 6개가 벌집 모양으로 결합한 구조가 무한히 반복되는 평면 신소재인 그래핀에서 아이디어를 얻어, 인공적으로 벌집 구조를 지닌 신소재를 만들었다. 먼저 육각 형성하기 쉬운 고분자인 트리페닐렌을 이용해 신소재를 개발했다. 트리페닐렌은 탄소 원자 6개로 이뤄진 벌집 모양 분자 4개가 삼각형 형태로 결합된 고분자 물질이다.

연구팀은 먼저 트리페닐렌 분자 하나에 6개의 하이드록시기(OH)를 합성하고, 또다른 트리페닐렌 분자에 아민기(NH2)를 합성했다. 그 뒤 이들을 용매에 녹인 뒤 가열해 그래핀과 비슷한 구조를 지닌 평면형 전도성 고분자를 합성하는 데 성공했다.

하이드록시기(왼쪽 위)와 아민기(왼쪽 아래)를 도입한 트리페닐렌 분자의 산화 축합반응을 통해서 그래핀처럼 2차원 벌집 구조를 가지는 전도성 고분자를 합성했다. IBS 제공

연구팀은 “합성 과정에서 산성 촉매를 써서 트리페닐렌 고분자가 부분적 양(+)전하를 띠게 만든 게 핵심 원리”라며 “덕분에 전기적 반발력을 갖게 된 고분자들이 서로 쌓이지 않고 용액에 골고루 분산돼 기존보다 수천~수만 배 큰 수백 ㎛ 크기의 전도성 고분자 박막을 합성할 수 있었다”고 밝혔다.

백 연구위원은 “용해도가 높아 골고루 분산되면 원하는 형태의 소자로 자유롭게 제작하는 데 유리하다”라며 “용액 공정을 통해 간단히 유기소자를 제작할 수 있어 반도체 소자 개발에 필요한 공정 비용을 절감할 수 있을 것”이라고 말했다.

새로 개발한 고분자는 전기적 특성이 뛰어나 초고속 반도체나 고효율 태양전지, 말리는 디스플레이 등에 응용이 가능할 것으로 보인다. 이 고분자로 박막 트랜지스터를 제작해 저항의 방해 없이 전기가 얼마나 잘 전달되는지 비교한 결과, 실리콘보다 최대 4배 높다는 결과를 얻었다. 빛을 검출하는 소자로 제작해 본 결과 자외선부터 적외선까지 넓은 빛을 검출할 수 있었다.

이번 연구는 복잡계자기조립연구단 외에 분자활성촉매반응연구단, 원자제어저차원전자계연구단이 함께 연구했다. 김 단장은 “협력 연구를 통해 난제를 풀어나가겠다”고 말했다.