성균관대학교는 강보석 성균나노과학기술원(SAINT) 교수 연구팀과 황종국 아주대 화학공학과 교수, 박영돈 인천대 에너지화학공학과 교수, 호아킨 칼보(Joaquin Calbo) 발렌시아 대학 교수 연구팀이 '분자 다리'전략을 이용한 이차원 유기 소재의 전하 이동 향상 기술을 세계 최초로 개발했다고 23일 밝혔다.
이번 연구는 이차원 유기 소재의 전자적 한계를 극복할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 향후 다양한 유기 전자소자에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
이차원 공액 유기 구조체(two-dimensional conjugated organic framework, 2D COF)는 분자들이 평면 위에서 규칙적으로 연결된 얇은 결정 소재다. 특히 이차원 면 방향으로 전하가 초고속으로 이동할 수 있어 차세대 전자소재로 많은 관심을 받는다. COF 박막은 하나의 큰 결정이 아니라 작은 결정 조각들이 이어진 형태로 만들어진다. 이때 결정과 결정 사이의 불규칙한 경계가 전하의 이동을 방해한다.
연구팀은 COF 결정 사이를 전도성 고분자로 연결하는 '분자 다리'전략을 제안했다. 전도성 고분자는 결정 사이를 이어 연속적인 전하 이동 경로를 제공해 보다 효율적인 전하이동을 가능케 한다. 연구 결과 개발된 COF-전도성 고분자 박막은 기존 COF 단일 박막 대비 109배, 전도성 고분자 단일 박막 대비 약 10배 높은 전기 전도도를 나타냈다.
이번 '분자 다리'전략은 COF 박막 위에 전도성 고분자를 코팅하는 간단한 방식으로 구현됐다. 연구팀은 실제로 2인치 웨이퍼 크기의 균일한 박막 제작에 성공하여 대면적 공정 가능성을 입증했다. 또한 개발한 박막을 이용해 이산화질소(NO2) 가스센서를 제작한 결과, 74ppb 수준의 매우 낮은 농도까지 검출하는 데 성공했으며, 약 20초의 빠른 응답 특성도 확인했다.
강보석 교수는“이번 연구는 매우 간단한 제조 공정만으로도 이차원 유기 소재의 전하 이동 특성을 크게 향상할 수 있음을 보여준 첫 사례”라며 “다양한 COF와 전도성 고분자의 조합을 탐색하고, 반도체 소재와의 이종접합 기술로 확장해 고성능 유기 전자소자 개발로 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 한국연구재단의 Post-Doc 성장형 연구지원, 우수신진연구, 중견연구, 나노미래소재원천기술개발, G-LAMP 및 핵심연구 사업의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 '네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)'에 지난 1일 게재됐다.
조호현 기자 hohyun@etnews.com
