이화여자대학교(총장 김은미) 화공신소재공학전공 이병훈 교수 연구팀이 200% 이상의 높은 신축성을 갖는 세계에서 가장 잘 늘어나는 고분자 반도체를 개발하는 데 성공했다. 이는 반드시 해결해야 할 난제인 결정도와 신축성을 동시에 향상시킨 세계 최초의 신축성 반도체 소재로서 미세 결정 구조 제어를 통해 기존보다 우수한 전하이동도와 신축성을 자랑하는 것으로 나타났다.
이화여대 연구팀의 이번 연구 결과는 ‘박막 연신율이 200%를 넘는 반결정질 고분자 반도체(A Semi-Crystalline Polymer Semiconductor with Thin Film Stretchability Exceeding 200%)’라는 논문으로 재료 분야의 SCI급 저명 국제학술지인 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 8월 4일 게재됐다. 이화여대 이병훈 교수가 교신저자로, 김예진 석사과정 학생이 제1저자, 유현진 석박통합과정 학생이 공동저자로 참여했다.
잡아당겨도 이미지가 왜곡되지 않고 신축성 있게 늘어나는 신축성 디스플레이 생산을 위해서는 신축성 반도체 기술 개발이 핵심이다. 이를 위해 전하이동도가 높으면서도 신축성이 뛰어난 고분자 반도체 개발이 활발히 진행되어 왔으나, 높은 전하이동도를 위해 소재의 결정도를 높일 경우 신축성이 낮아지는 고질적인 문제로 인해 결정도, 전하이동도, 신축성이 동시에 향상되는 소재를 개발하는 것은 학계의 난제로 여겨져 왔다.
이병훈 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 동서대학교와 포항가속기연구소 연구팀과의 공동 연구를 통해 특정 열처리 온도에서 결정구조가 급격히 변하는 불소화된 사이클로펜타디티오펜-벤조트리아졸(cyclopentadithiophene-benzotriazole) 기반의 고분자 반도체 개발에 성공했다. 또한 결정구조 변화에 의한 결정도-신축성 동시 향상 원리를 규명함으로써 최고 수준의 신축성과 전하이동도를 갖는 유기 반도체 소재를 개발해냈다.
이번에 개발된 신축성 반도체는 최대 200% 이상으로 늘리거나 수백 회 이상을 반복적으로 늘려도 손상되지 않고 안정적인 물성을 유지하는 것으로 확인됐다. 이는 현재까지 전 세계에서 개발된 신축성 반도체 중 가장 높은 수치로, 향후 우수한 물성의 신축성 고분자 반도체 개발을 위한 초석을 다졌다는 평가를 받고 있다.
교신저자인 이병훈 교수는 “이 연구는 그동안 난제로 여겨지던 신축성 고분자 반도체의 결정도-신축성 한계를 최초로 극복한 사례라는 점에서 의의가 있으며, 이를 계기로 신축성 반도체 개발에 더욱 속도를 낼 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
본 연구는 ‘신진연구자지원사업’, ‘기초연구실사업’, ‘휴먼플러스융합연구개발 챌린지사업’, ‘BK21 FOUR’ 연구과제의 지원을 받아 수행됐다.
신민섭 기자
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