주요 연구성과
NEW 분자과학기술학과 김종현 교수팀, 신개념 고분자 도핑 기술 개발
- 2020-11-17
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우리 학교 김종현 교수가 포함된 국내 연구진이 신개념의 도핑 공정 개발에 성공했다. 전자재료로 널리 활용되고 있는 유기 반도체 물질인 공액 고분자의 광학적·전기적 성능을 획기적으로 개선할 수 있어, 앞으로 차세대 전자기기 및 에너지 소재로 활용될 것으로 기대된다.
김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)는 김봉기 건국대 교수(유기나노시스템공학과) 연구팀과 함께 새로운 개념의 도핑 공정을 개발해 관련 내용이 담긴 논문이 <어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)> 10월15일자 표지 논문으로 선정되었다고 밝혔다.
논문 제목은 ‘공액고분자 박막의 전영역 도핑이 가능한 하이브리드 도핑: 공액고분자의 광전기적 성능 및 열전성능 최적화를 위한 새로운 도핑전략(Exploring Wholly Doped Conjugated Polymer Films Based on Hybrid Doping: Strategic Approach for Optimizing Electrical Conductivity and Related Thermoelectric Properties)’이다.
김종현 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대 대학원 분자과학기술학과 윤상은 학생(석박사 통합과정, 사진 오른쪽)이 제1저자로 함께 했다. 우리 학교 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)도 연구에 참여했다.
유기 반도체 물질인 공액 고분자는 용액 공정이 가능해 공정 비용을 절감할 수 있고, 유연하고도 가벼운 휴대용 전자 소자로 활용될 수 있어 주목받고 있는 차세대 소재다. 유기 반도체를 널리 활용하기 위해 다양한 연구들이 진행 중이며, 그 중 전기 전도도 개선과 관련해서는 도핑(Doping) 공정을 통한 시도가 가장 활발하다. 그러나 전기 전도도를 확보하기 위한 방안에 있어, 복잡하고 친환경적이지 못한 도핑 공정과 도핑 후 박막의 대기 불안정성 등의 문제가 한계로 지적되어 왔다.
지금까지의 관련 연구는 전기 전도도 향상을 위해 신규 고분자 물질과 도판트 소재 개발에 주로 초점이 맞춰져 왔다. 이에 반해 고분자 박막의 도핑 영역을 확장하려는 연구는 거의 전무, 그동안 고분자 박막의 일부분만 도핑이 가능한 수준에 머물러 왔다. 이에 공동 연구팀은 기존에 잘 알려진 범용 공액 고분자를 사용하되, 박막의 전체 영역에 도핑이 가능한 신개념의 도핑 공정 개발에 착수했다.
도핑은 도판트 분자가 고분자 박막 내부로 침투하면서 이뤄지는데, 공동 연구팀은 고분자 박막 내부의 결정성 영역과 비결정성 영역 모두에 도판트 분자가 확산될 수 있는 하이브리드 도핑 공정을 설계했다. 이를 통해 일부 영역에의 도핑에만 의존해오던 기존 공정 대비 40배 이상 증진된 전기 전도도와 87% 이상의 가시광 투과도를 나타냄을 확인했다. 뿐만 아니라 산소에 대한 저항성 개선효과로 대기안정성이 획기적으로 개선되는 등 우수한 광전기적 특성을 보였다.
김종현 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 도핑 공정은 방법이 매우 간단하면서도 전기 전도도와 광 투과도 면에서 성능이 우수하다”며 “이 공정을 활용해 제작하는 전도성 투명 고분자 필름이 차세대 전자기기의 유연하고 신축성 있는 투명전극 및 열전변환소재로 응용될 수 있으며, 이는 기존의 고가 투명전극 및 에너지 소재들을 대체할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터)의 지원을 받아 수행되었다.