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UNIST, 유기 반도체 물질 '익센' 분자 합성 최초 성공...유연한 전자소자 핵심소재 가능성
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UNIST, 유기 반도체 물질 '익센' 분자 합성 최초 성공...유연한 전자소자 핵심소재 가능성
  • 박주현 기자
  • 승인 2020.08.26 12:24
  • 댓글 0
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익센에 질소·붕소 첨가해 반도체 소재로서의 성능 보여
UNIST 박영석·이근식·신형준 교수팀, 유기물
앙게반테케미 논문 게재
개발된 유기반도체 재료의 합성과정 - 익센 합성 반응 /UNIST 제공

국내 연구진이 그 존재가 밝혀진지 79년 만에 유기 반도체 물질, 익센(ixene) 분자를 최초로 합성하는데 성공해 주목받고 있다. 

울산과학기술원(UNIST) 박영석·이근식·신형준 교수 공동 연구팀은 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs) 물질 중 하나인 익센 분자를 최초로 합성하고, 질소와 붕소가 첨가된 익센을 추가적으로 합성해 이 물질의 유기반도체 재료로서의 가능성을 보였다고 밝혔다. 

연구진에 따르면 최근 유기발광다이오드(OLED), 유기 트랜지스터, 유기 태양전지 같은 유연한 전자소자(device)에 대한 관심이 뜨거운 가운데 실리콘 반도체와 달리 유연한 가공성과 상대적으로 저렴한 유기 반도체 소재는 유연한 전자 소자를 구성하는 핵심 소재다. 

연구진 사진-좌측 상단부터 신형준 교수, 이근식 교수, 박영석 교수, 최원영 교수 /사진=UNIST 제공

대표적인 유기반도체 소재로는 탄소 원자가 여러 개의 육각형 고리모양을 이루고 있는 '다환 방향족 탄화수소' 꼽힌다. 반도체 소재 내에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 필요하고 다환 방향 탄화수소는 분자 내부에 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 있기 때문이다. 

1941년 익센이라는 이름과 함께 이 분자의 구조가 제안됐지만, 당시 알려진 방법으로는 합성이 어려워 실제로 만들어지지는 못했다고 한다. 

연구팀은 다이세틸랜(diacetylene) 분자의 '고리화 반응'과 팔라듐 촉매를 사용한 '탄소-수소 아릴화 반응'을 이용해 익센을 합성하는데 성공했다. 

탄소-수소 아릴화 반응(C-H bond arylation)은 주로 전이금속 촉매를 이용해 치환반응이나 첨가반응을 통해 아릴기(aryl group)를 붙이는 반응을 의미한다. 아릴기는 방향족 화합물(벤젠고리에 다른 원자나 원자단이 결합한 물질)에서 수소원자 하나를 뺀 원자 덩어리를 말한다.

개발된 유기반도체 재료의 합성과정 - 붕소와 질소가 도입된 익센 합성 /UNIST 제공

또한 동일한 2단계 합성법을 이용해 유기 반도체 재료로 사용 가능한 'B2N2-ixene' 분자를 만들고, 이 물질의 성질을 밝혔다. 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 도입해 익센보다 '에너지 갭'이 좁은 'B2N2-ixene'를 합성했다. 

실리콘에 질소와 붕소를 첨가해 상업화된 반도체 재료를 합성하듯, 익센 분자의 특정 위치에 질소와 붕소를 첨가해 에너지 갭을 줄였다고 연구진은 설명했다. 

물질을 반도체 소재로 쓰려면 움직이는 전자의 '문턱' 역할을 하는 에너지 갭의 폭을 제어하는 것이 매우 중요한데 이번 연구에 사용된 합성법을 이용하며 에너지 갭을 정확하고 쉽게 줄일 수 있다는 것이다. 

신형준·이근식 교수 연구팀은 실제 실험과 이론계산을 통해 B2N2-ixene 분자가 익센과 비교하여 좁은 에너지 갭을 가진다는 것을 입증했다고 밝혔다. 

질소와 붕소가 도핑된 익센의 뒤틀린 평면구조(비평면 구조) / UNIST 제공

특히 자외선-가시광선 분광법을 이용해 B2N2-ixene이 익센보다 긴 파장대의 빛을 흡수하는 것을 관찰했다고 한다. 이것이 B2N2-ixene 분자의 에너지 갭이 더 좁다는 것을 의미한다는게 연구진의 설명이다. 

박영석 교수는 "익센이라는 새로운 물질을 현대 유기화학을 이용해 합성했다는 점 뿐만 아니라 분자의 특정 위치에 원하는 물질을 정확하게 첨가해 물리적 성질을 제어하는 방식을 제안했다는 점에서 큰 의의가 있는 연구"라고 설명했다. 

또한 "이번 연구에 사용된 팔라듐촉매와 탄소-수소 아릴화 반응은 더 큰 분자 크기를 갖는 다환 방향족 탄화수소를 합성하는 전략으로도 응용할 수 있을 것"이라고 말했다. 

이번 연구 수행은 한국 연구재단이 추진하는 기본연구 및 기초연구실 사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, UNIST 자연과학부 최원영 교수팀과 에너지 및 화학공학부 강석주 교수팀이 참여해 화학 분야 최고 권위지 '앙레반테케미(Angewandte Chemie International Edition)'에 논문명 'Unveiling 79-Year-Old Ixene and Its BN-Doped Derivative'로 지난 24일자 게재됐다. 


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