▲ 신규 유기 도펀트 소재의 합성전략 및 도핑특성 / 좌측은 작용기의 전자 구인성을 하메트 상수라는 수치로 나타내고 있다. 하메트 상수가 더 큰 (+)값을 보일수록 더 강한 전자 구인성을 지닌 작용기이며, CN기에 루이스 산인 BCF가 결합되어 하메트 상수가 두 배 이상 증가함을 보여준다. 중간은 저희가 사용한 물질의 화학적 구조이며, 우측의 그림은 기존 및 개발한 세 도펀트의 LUMO 준위와 이에 따른 도핑 반응의 가능성을 묘사하고 있다.(그림 및 설명= 한양대학교 장재영 부교수)   © 특허뉴스

금보다 비싼 반도체 재료로 꼽히는 ‘유기 p-도펀트’를 국내 연구진이 새로운 전략으로 개발해 관심이 집중된다. 

한국연구재단은 한양대 에너지공학과 장재영 교수연구팀이 기존 개발 전략의 한계를 극복하는 신규 ‘유기 도펀트’ 소재군을 개발했다고 밝혔다. 

반도체산업에서 불순물 원자를 첨가해 반도체의 전기적, 광학적, 구조적 특성을 개선하는 도핑 기술은 필수적이다.

특히 가볍고 잘 휘어지는 유기 반도체의 도핑은 원자 형태가 아닌 분자형태의 도펀트를 사용한다. 이 같은 유기 도펀트(organic dopant / 반도체의 특성을 제어하는 데 쓰이는 탄소계 유기분자 형태의 첨가제)는 OLED 제조에서 발광을 돕는 핵심 기술로 활용되는 등 향후 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 전망된다.

유기 도펀트 중에서도 p-형 반도체의 특성을 향상시키는 ‘유기 p-도펀트’는 안정성이 낮고, 그램당 가격이 수십만 원에 달할 정도로 비싼데다 특정 업체가 특허를 독점한 상황이다.

참고로, P형 반도체, N형 반도체는 모두 불순물을 첨가하는 도핑을 거쳐서 만드는 비고유 반도체이다. 이중 p-형 반도체는 순수한 반도체에 특정 불순물(3족 원소)을 첨가하여 정공(hole)의 수를 증가시킨 반도체이다. 

따라서 유기 p-도펀트 개발의 안정성 향상과 독점적 기술을 회피할 새로운 화학적 구조 개발에 대한 필요성이 대두되고 있었다. 

장재영 교수 연구진은 유기 p-도펀트 개발에서 이전에 널리 사용되었던 전략을 변경해 새로운 방식으로 접근했다.

도펀트 분자에 곁가지처럼 붙어 소재의 특성을 제어하는 전자 구인성 작용기(electron-withdrawing group / 전자를 흡수함으로써 전자가 과잉되는 것을 안정화하는 작용기)에 변화를 주었다. 이 과정에서 기존 전자 구인성 작용기인 시아노(CN)기 내의 질소(N) 원자를 루이스 산(화학 반응에서 전자쌍을 받는 화학종을 산, 전자쌍을 주는 화학종을 염기라고 정의)과 반응시키면 강한 산화성과 안정성을 동시에 지닌 유기 p-도펀트를 합성할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 

루이스 산-염기 결합 후 시아노기의 전자 구인성은 두 배 가까이 향상되어 지금까지 알려진 유기 p-도펀트 중 가장 강력한 산화성을 보였고, 도핑의 안정성 또한 비약적으로 향상되었다.

장재영 교수는 “이번에 개발한 유기 p-도펀트 소재군은 자유롭게 화학적 구조의 변형이 가능해 다방면 활용이 가능하며, 합성 방법이 단순하고 저렴한 시약을 사용할 수 있어 가격을 수십 배 낮출 수 있는 등 잠재성이 매우 크다”고 설명하고, “전기적 성능을 극대화하기 위해 다양한 공정 기술을 개발 중”이라고 밝혔다.

이번 연구는 화학 분야 세계적 권위지인 ‘안게반테 케미 인터내셔널 에디션(Angewandte Chemie International Edition)’ 9월 11일자에 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다. 

논문명은 Extremely Electron-Withdrawing Lewis-Paired CN Groups for Organic p-Dopants 이다.