유기반도체 간판 소재 펜타센, 구조 혁신으로 차세대 소자 성능↑

UNIST 박영석 교수팀, 펜타센 골격에 보론-산소 결합 넣는 반복 합성법 개발

분자 길이와 결합 배열 조절 가능한 합성법… Angew. Chem. Int. Ed. 게재

플라스틱처럼 유연하고 전기가 통하는 반도체의 대표주자 '펜타센'. 하지만 전위 배열이 선택 가능하기 때문에 전하가 이동할 때마다 '교통체증'이 고질병이었다.

벤젠고리가 이어진 유기반도체의 골격 자체를 수정할 수 있는 합성법이 개발됐다.

UNIST 화학과 박영석·민승규 교수팀은 유기반도체의 일종인 펜타센의 골격 가장자리에 보론-산소 결합을 연속적으로 넣는 반복 합성법을 개발했다고 18일 전했다.

연구진, (좌측부터) 박영석 교수, 민승규 교수, 정성화 박사, 김시인 연구원, 이종환 연구원. UNIST 제공

유기반도체는 딱딱한 실리콘 반도체를 대체하거나 보완해 가볍고 휘어지는 디스플레이, 센서, 태양전지와 같은 전자 소자에 들어가는 물질이다. 분자의 길이와 모양, 어떤 원자를 어디에 넣었는지에 따라 성질이 달라져, 원하는 물성을 갖는 유기반도체를 설계할 수 있다.

연구팀이 개발한 합성법은 벤젠고리 5개가 일렬로 연결된 펜타센 골격에 산소와 보론 원자를 끼워 넣어 골격 자체를 바꾸는 방법이다. 일반적으로 유기반도체는 탄소 원자 고리인 분자 골격을 기준으로, 골격 바깥에 다른 작용기를 붙이거나 곁가지를 조절해 분자의 성질을 바꾸는 방식이 주를 이뤘다. 골격에 원하는 원소를 원하는 형태로 끼워 넣기 힘들기 때문이다.

이 합성법은 같은 반응을 반복해 벤젠고리를 하나씩 늘려가게 된다. 제1저자인 정성화 박사는 "특정 위치에 아이오딘 원자를 끼워 넣는 아이오딘화 반응과 보론 시약을 연결한 뒤 고리를 닫는 화학반응이 한 사이클을 이루는데, 이 사이클을 반복하면 펜타센 골격 가장자리에 보론과 산소 결합이 연속으로 들어간 구조를 만들 수 있게 된다"고 설명했다.

연구팀은 이 방식으로 보론과 산소의 결합 위치가 다른 3종류의 펜타센 유도체를 합성해 냈다. 이 세 물질은 흡수하거나 내보내는 빛의 파장이 서로 달랐으며, 형광 양자수율은 모두 0.70 이상으로 나타났다. 형광 양자수율은 물질이 흡수한 빛을 다시 빛으로 내보내는 효율을 뜻한다. 0.70 이상의 수치는 합성된 소재가 고발광 효율이 필요한 발광 유기반도체 소재, 형광 센서, 광전자 소재 분야에 응용될 수 있음을 보여준다.

연구그림, 이번 연구에서 개발한 반복 합성 전략의 모식도.

박영석 교수는 "이번 연구는 연속적인 보론-산소 결합을 갖는 새로운 아센 유도체를 단계적으로 합성할 수 있는 방법을 제시했다"며 "반복 합성을 통해 원하는 길이와 배열의 분자를 설계할 수 있다는 점에서 유기 반도체 분자의 화학적 다양성을 넓히고, 차세대 유기 반도체 설계·합성 분야 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다

연구 결과는 화학 분야 권위 국제학술지인 앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)에 4월 16일 온라인 게재됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)과 산업통상자원부 사업 등의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr