새로운 유기 반도체 재료를 합성하는데 성공했다. 반도체 재료의 새로운 유형을 제시할 것으로 기대된다.
UNIST(총장 이용훈) 화학과 박영석 교수팀은 연속적인 붕소–질소(BN) 결합을 통해 새로운 안트라센 유도체인 ‘BNBN 안트라센’ 분자를 합성했다. 또한 붕소–산소(BO) 결합과 붕소–질소(BN) 결합이 연속적으로 연결돼있는 ‘BOBN 안트라센’ 분자를 유기 발광 다이오드(Organic Light-Emitting Diode, OLED)의 청색 호스트로 사용했다. 개발된 안트라센 분자는 낮은 전압에서도 구동 가능해 유기 반도체의 재료로서 가능성을 확인했다.
그림1. 붕소(B)와 질소(N)가 연속적으로 도입된 안트라센 유도체 합성법
안트라센 유도체는 탄소 중심의 유기 전자기기에서 전자의 이동과 빛을 내는 성질을 향상시키는 핵심 소재다. 특히 고성능 전자기기의 핵심 구성 요소로써 주목받고 있다.
연구팀은 안트라센을 구성하고 있는 탄소-탄소 결합(CC)을 같은 전자 수를 갖는 붕소-질소(BN)의 연속적인 결합으로 대체했다. 이전에 보고되지 않은 새로운 유형의 안트라센 유도체를 합성하고, 그 특성을 연구했다.
기존의 탄소로만 이루어진 안트라센 유도체와 비교했을 때 ‘BOBN 안트라센’ 분자와 ‘BNBN 안트라센’ 분자는 또 다른 광학적·전기화학적 특성을 나타낸다. 특히 유기 발광 다이오드의 청색 호스트로 ‘BOBN 안트라센’ 분자를 사용하면, 기존보다 낮은 전압(3.1V)에서 구동 가능했다. 또한 같은 전류밀도에서 전류의 사용 효율, 에너지효율, 발산하는 빛의 양 등의 수치가 약 10% 높게 나타났다.
그림2. 안트라센 유도체를 OLED의 블루호스트로 사용한 디바이스 구조와 OLED 성능
추가로, 연구팀은 물질의 구조에 대한 정보를 얻을 수 있는 X선 회절분석기를 활용해 ‘BNBN 안트라센’의 결정 구조를 파악했다. 기존의 탄소로만 이루어진 안트라센 유도체의 구조와 비교하며 붕소–질소(BN) 결합으로 발생하는 결합길이와 각도 등의 구조적 변화를 추가로 연구하며 새로운 분자의 사용 가능성을 확인했다.
제 1저자인 정성화 화학과 석·박통합과정 연구원은 “이번 연구는 유기반도체로써 각광 받고 있는 아센(acene)의 한 종류인 안트라센에 대한 기초연구가 됐다”며 “연구를 통해 합성된 연속적인 붕소-질소(BN) 결합은 앞으로 유기 반도체에 적용될 수 있을 것이다”고 설명했다.
박영석 화학과 교수는 “연속적인 붕소-질소(BN) 결합을 가진 화합물의 합성과 특성 분석은 화학 분야의 기초 연구에 기여할 것이다”며 “새로운 화합물을 합성하고 그들의 전자적 특성을 조절하는데 활용될 수 있는 중요한 도구가 될 것이다”라고 덧붙였다.
가톨릭대학교 화학과 김중한 교수팀, UNIST 화학과 최원영 교수팀, SFC 연구팀이 참여한 이번 연구 성과는 화학 분야에서 최고 권위지인 ‘앙게반테케미(Angewandte Chemie International Edition)’에 12월 11일 온라인 게재됐다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)이 추진하는 중견연구, 기업 SFC, 및 산업통상자원부 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
