[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

최근 유기발광다이오드(OLED), 유기 트랜지스터, 유기 태양전지 같은 유연한 전자 소자(device)에 대한 관심이 뜨겁다. 실리콘 반도체와 달리 유연(Flexibility)하고 가공성(Tunability), 상대적으로 저렴한 유기 반도체 소재는 유연한 전자 소자를 구성하는 핵심 소재(material)다.

유기 반도체 소재는 주로 다환 방향족 탄화수소 화합물(Polycyclic aromatic hydrocarbon, PAHs)1)을 사용한다. 다환 방향족 탄화수소 화합물은 전자의 비편재화2)를 일으키는 공액 전자 시스템(Conjugated π-electron system)3)을 가지고 있어 반도체 부품으로 사용하기에 적합하다. 또한, 이러한 탄소 기반 물질의 전기적 성질을 더욱 다양하게 조절하기 위해서 헤테로(hetero, 다른 물질)원자를 도핑하는 연구가 지속 중이다. 특히, 탄소-탄소(CC) 결합의 등전자 구조(Isoelectronic structure)4)인 붕소-질소(BN) 결합을 도핑하는 방법이 주목을 받고 있다.

붕소-질소(BN) 결합을 원하는 위치에 원하는 만큼 도핑(BN-doping)5)하게 되면, 다환 방향족 탄화수소의 HOMO-LUMO 에너지 레벨6)과 구조를 자유자재로 조절할 수 있어 효율적인 유기 반도체 물질을 만들 수 있다는 장점이 있다. 하지만 이를 가능케 하는 선택적이고 편리한 유기합성 방법에 대한 연구는 여전히 부족한 상태이다.

2. 연구내용  

본 연구에서는 새로운 구조의 익센(ixene) 화합물과 두 개의 붕소-질소(BN) 결합을 포함하는 BN-doped ixene(B2N2-ixene)화합물을 합성하고, 이들의 광학·전기화학적 성질을 분석하였다. 연구진은 다이아세틸렌(diacetylene) 유도체들로부터 각각 두 단계를 거쳐 원하는 분자를 합성했다.(그림1) 

또한, 자외선-가시광선 분광법을 통해 익센과 비교하여 B2N2-ixene이 더 긴 파장대(λabs)를 흡수한다는 것을 관찰했다.(그림2) 그리고 형광 분석법과 순환전압 전류법을 통해 붕소-질소(BN) 결합을 도핑했을때 광학·전기화학적 에너지갭(Egopt,el)이 작아진다는 것을 확인했다. 이 현상은 BN-도핑 방법이 저밴드갭(low bandgap) 물질을 제조하는 데 유용하게 사용될 수 있음을 말해준다.

또한 이번 연구에서는 붕소-질소(BN) 결합의 특정한 위치가 결합길이를 결정하는 중요한 역할을 한다는 사실을 새롭게 확인했다. 기존의 합성됐던 질소와 붕소가 첨가된 다환 방향족 탄화수소 물질(BN-fused PAHs) 과 이번에 합성된 물질의 단결정 X선 회절 실험 결과를 비교했을 때, 새롭게 합성된 B2N2-ixene 화합물에서의 붕소-질소(BN) 결합의 길이가 대략 0.04~0.05Å 더 짧은 것을 관찰했다.

더 나아가 연구진은 주사 터널링 현미경 실험을 통해 B2N2-ixene 화합물이 비평면 구조를 가진다는 것을 밝혀냈으며, 이는 단결정 X선 회절 실험과 이론적 계산(DFT calculations)과 모두 일치하는 내용이다.(그림3)

3. 기대효과  

이번 연구는 기존에 없던 새로운 구조의 익센(ixene) 화합물과 BN-doped ixene(B2N2-ixene) 화합물을 합성하고, 이들의 광학·전기화학적 성질을 분석함으로써 다환 방향족 탄화수소(PAHs)의 HOMO-LUMO 에너지 레벨을 효과적으로 조절할 수 있는 방법을 제시했다. 본 연구를 통해 얻은 BN-도핑효과에 대한 이해를 바탕으로, 앞으로 더 개선된 BN-fused PAHs 개발에 이번 연구가 많은 기여를 할 것으로 예상된다. 또한, 이번 연구 결과는 다른 헤테로 원자 도핑 연구에도 적용 가능해 연구팀의 후속연구에 길잡이 역할을 할 것이다.

[붙임]  용어설명

1. 다환 방향족 탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbon, PAHs)

탄소와 수소로만 이루어진 물질로, 여러 개의 벤젠 고리(benzene ring)를 가지는 화합물이다. 두 개의 벤젠 고리를 가지는 나프탈렌(C10H8)부터 그 외에 안트라센(C14H10), 테트라센(C18H12) 등이 이에 속한다.

2. 전자의 편재화(Delocalized electron)

전자가 확률적으로 임의의 하나의 원자 또는 하나의 공유결합에 속하지 않는 현상. 분자 내부에서 움직일 수 있는 전자가 있는 셈이다. 

3. 공액 전자 시스템(Conjugated π-electron system)

다중 결합이 단결합을 사이에 하나 끼워 존재하고 상호 작용을 나타내는 것을 공액이라 한다. 이때 다중결합을 하는 π결합(상대적으로 약한 결합)에 의해 자유롭게 움직일 수 있는 전자(비편재화된 전자)가 존재 한다. 

4. 등전자 구조(Isoelectronic structure)

같은 수의 최외각 전자를 가지고 있는 구조를 등전자 구조라 한다. 예를 들어, 탄소-탄소(CC) 결합과 붕소-질소(BN) 결합 구조는 8개의 같은 최외각 전자 수를 가진다. (최외각 전자: 탄소(4), 붕소(3), 질소(5)) 

5. BN 도핑(BN-doping)

도핑(doping)은 물질의 성질을 향상시키기 위해 고의적으로 불순물을 집어넣는 것을 말한다. 본 연구에서 붕소-질소 도핑(BN-doping)은 붕소-질소(BN) 결합을 무작위로 도핑하는 것이 아니라 상향적 합성 방법(bottom-up synthesis)을 이용하여 특정한 위치에 도핑하는 의미로 사용됐다.

6. HOMO-LUMO 에너지 레벨(HOMO-LUMO energy level)

분자결합에서 전자가 존재하는 가장 높은 에너지 레벨을 HOMO(highest occupied molecular orbital)라 하고, 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨을 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)라 한다. 이 HOMO와 LUMO의 에너지 차이를 에너지 갭(energy bgap)이라 말한다. 에너지 갭에 따라 전기전도도와 같은 물리적 특성이 바뀌기 때문에 물질을 반도체 소재로 응용하려면 에너지 갭의 폭을 조절 할 수 있어야 한다.

7. 탄소-수소 아릴화 반응(C-H bond arylation)

탄소-수소 아릴화 반응은 탄소-탄소 결합을 형성하는데 중요한 반응이다. 주로 전이금속 촉매를 이용하며 치환반응이나 첨가반응을 통해 아릴기(aryl group)를 붙이는 반응을 의미한다. 아릴기는 방향족 화합물(벤젠고리에 다른 원자나 원자단이 결합한 물질)에서 수소원자 하나를 뺀 원자 덩어리(원자단)를 말한다.

[붙임] 그림설명

그림 1. Ixene과 B2N2-ixene의 합성 방법. 다이아세틸렌 분자를 반응물로 이용해 ‘익센(Ixene)’과 ‘질소와 붕소가 도입된 익센(B2N2-ixene)’을 각각 합성했다. 이번에 개발된 합성법을 이용하면 질소와 붕소를 도핑하는 위치를 정확히 조절 할 수 있다.

그림 2. (왼쪽) 익센(Ixene)과 B2N2-ixene의 광학적·전기화학적 성질 분석. (a) 분광분석법을 이용해 질소와 붕소가 도핑된 익센이 더 긴 파장대의 빛을 흡수함을 알 수 있다. (b) 이론적 계산(DFT calculations)에 의한 ixene과 B2N2-ixene의 전자 에너지 띠 구조 (HOMOs 와 LUMOs)

그림 3. (왼쪽) B2N2-ixene의 단결정 구조. 탄소(C)는 회색, 질소(N)는 파란색, 붕소(B)는 빨간색, 수소(H)는 흰색으로 표시됐다. B2N2-ixene이 비평면 구조를 가짐을 알 수 있다.