박영석·민승규 UNIST 교수팀,
골격 가장자리에 보론-산소 결합 순차 끼워 넣기
분자 길이와 결합 배열 조절 가능
울산과학기술원(UNIST)이 벤젠고리가 이어진 유기반도체의 골격 자체를 수정할 수 있는 합성법을 개발했다.
박영석·민승규 UNIST 화학과 교수팀은 유기반도체의 일종인 펜타센의 골격 가장자리에 보론-산소 결합을 연속적으로 넣는 반복 합성법을 개발했다고 18일 밝혔다.
유기반도체는 딱딱한 실리콘 반도체를 대체하거나 가볍고 휘어지는 디스플레이, 센서, 태양전지 같은 전자 소자에 기능성 보완재로 사용하는 물질이다. 유기반도체는 유기 분자의 길이와 모양, 어떤 원자를 어디에 넣었는지에 따라 성질이 달라지기 때문에 원하는 방향대로 물성을 설계할 수 있다.
박 교수팀은 개발한 반복 합성법은 벤젠고리 5개가 일렬로 연결된 펜타센 골격에 산소와 보론 원자를 끼워 넣어 골격 자체를 바꾸는 기술이다.
일반적으로 유기반도체는 탄소 원자 고리인 분자 골격을 기준으로, 골격 바깥에 다른 작용기를 붙이거나 곁가지를 조절해 분자의 성질을 바꾼다. 골격 자체에 원하는 원소를 원하는 형태로 끼워 넣기 힘들기 때문이다.
박 교수팀은 같은 반응을 반복하면서 벤젠고리를 하나씩 늘려가는 방법으로 이를 해결했다. 해당 연구 논문 제1저자인 정성화 연구원은 이에 대해 “특정 위치에 아이오딘 원자를 끼워 넣는 아이오딘화 반응과 보론 시약을 연결한 뒤 고리를 닫는 화학반응이 한 사이클을 이룬다. 이 사이클을 반복하면 펜타센 골격 가장자리에 보론과 산소 결합이 연속으로 들어간 구조를 만들 수 있다”고 설명했다.
박 교수팀은 이 방식으로 보론과 산소의 결합 위치가 각기 다른 3종의 펜타센 유도체를 합성해냈다. 이 세 물질은 흡수하거나 내보내는 빛의 파장이 서로 달랐다. 형광 양자수율도 모두 0.70 이상으로 나타났다. 형광 양자수율은 물질이 흡수한 빛을 다시 빛으로 내보내는 효율이다. 0.70 이상은 고발광 효율이 필요한 발광 유기반도체 소재, 형광 센서, 광전자 소재 분야에 응용 가능하다는 것을 보여주는 수치다.
박영석 교수는 “연속적 보론-산소 결합을 갖는 새로운 아센 유도체를 단계적으로 합성할 수 있는 방법을 제시했다. 반복 합성으로 원하는 길이와 배열의 분자를 설계할 수 있어 유기 반도체 분자의 화학적 다양성을 넓히고, 차세대 유기 반도체 설계·합성 분야 발전에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
