성균관대학교 성균나노과학기술원, 나노공학과, 반도체융합공학과 강보석 교수 연구팀이 유기 전자재료의 전기 전도성을 높일 수 있는 두 가지 새로운 분자 설계 기술을 개발했다. 하나는 고분자 안에 더 많은 전하 운반자를 만들어내는 기술이고, 다른 하나는 전하가 끊기지 않고 이동할 수 있는 길을 연결하는 기술이다. 이번 연구 성과는 국제학술지 『Journal of the American Chemical Society』와 『Nature Communications』에 각각 게재됐으며, JACS 게재 논문은 표지논문(Cover Article)으로도 선정됐다.

유기 반도체는 가볍고 유연해 차세대 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 센서 등에 활용될 것으로 기대되는 소재다. 그러나 실제 전자 소자에 활용되기 위해서는 전기 전도도가 향상되어야 하며, 이를 높이기 위해서는 충분한 양의 전하를 만들어야 하고, 생성된 전하가 재료 내부를 빠르게 이동할 수 있어야 한다. 연구팀은 서로 다른 두 연구를 통해 이 두 가지 문제를 상보적으로 해결했다.

첫 번째 연구에서는 고분자 내부에 더 많은 전하 운반자를 생성하는 분자 단위의 설계 기술을 개발했다. n형 전도성 고분자 PBFDO에 극성분자인 아미노알킬실레인을 공유결합으로 고정해 전자의 농도를 크게 높였다. 결합된 극성 분자들이 일정한 방향으로 배열되면서 외부 도핑제를 많이 사용하지 않고도 자연스럽게 전자를 생성하는 효과를 유도했다. 그 결과 박막의 전기 전도도는 3,000 S cm⁻¹ 이상으로 향상되면서 고분자 반복단위체당 최대 약 1.79개의 자유전자가 발생하는 높은 도핑 효율을 달성했다. 이는 도핑 한계를 이론적 수준으로 높인 최초의 연구이며, 고분자 전극과 발광소자 등 다양한 유기 전자소자에 활용될 가능성을 보여주었다.

두 번째 연구에서는 전하가 이동하는 경로 자체를 설계하는 새로운 전략을 제시했다. 이차원 공액 유기 구조체(2D COF)의 박막 위에 전도성 고분자를 얇게 코팅하여, 다결정 구조에서 끊어진 전하 이동 경로를 연결하는 ‘분자 다리’ 구조를 구현했다. 이 구조는 전도성 고분자가 서로 떨어져 있는 COF 결정들을 이어주는 다리 역할을 하면서 전하가 더욱 원활하게 이동하도록 돕는다. 최적화된 COF-전도성 고분자 이종구조 박막은 기존 COF 단일 박막 대비 10⁹배, 전도성 고분자 단일 박막 대비 약 10배 높은 전기 전도도 향상을 보였다. 또한 2인치 웨이퍼 크기의 균일한 대면적 박막 제작에도 성공했으며, 이를 이산화질소 (NO₂) 가스센서에 적용한 결과, 74 ppb의 낮은 농도까지 검출하고 약 20초의 빠른 응답 특성을 확인했다.

강보석 교수는 “이번 연구는 유기 전자재료의 성능을 결정하는 두 핵심 요소인 전하의 생성과 전하의 이동을 각각 분자 수준에서 해결한 연구”라며 “향후 다양한 반도체 소재와의 이종 접합 구조를 개발해 고성능 전자소자로 연구를 확장해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

연구팀은 최근 유기 전자재료의 전하 운반자인 폴라론의 국소화 현상을 활용해 전류가 일정하게 유지되는 플래토 트랜지스터를 새롭게 제시해 『Nature Communications』에 게재한 바 있다. 이를 통해 전하의 생성과 수송을 넘어, 전하 상태를 새로운 정보처리 기능으로 활용하는 연구로 영역을 넓히고 있다.