^*HAB: hexaaminobenzen(헥사아미노벤젠)

^*PTK: pyrenetetraketone (파이렌에트라케톤)

^*방향족 고리화 반응: 반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학반응을 말한다.

^*S/cm: 전기전도도 단위, S(Siemen) 지멘스

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기물의 유연성 및 경량성, 분자 구조 제어를 통한 광전자적 특성 제어의 용이성, 낮은 공정비용 등의 다양한 장점 때문에, 유기 고분자는 무기물 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 소재로 최근 수 십년간 활발하게 연구 되고 있다. 하지만, 대부분의 유기 고분자 기반 반도체1) 소재는 현재 기대보다 낮은 전하이동도2)로 아직까지 실리콘과 같은 무기반도체를 대체하기에는 문제점이 존재했다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 물질로 주목받은 그래핀3)이 2005년에 발견된 이후로 새로운 2차원 구조를 찾고 합성해 이를 반도체 소자로 응용하는 연구가 각광 받고 있다. 2차원 구조는 얇고 잘 휘면서 단단한 특성을 가지고 있고 두께에 따른 전자적 특성이 조절되어서 유기 반도체 소자로서의 응용이 이상적이라고 연구 되어 왔다.

하지만, 다양한 2차원 유기 구조체가 이론적으로 이상적인 반도체 소자로 연구가 되었음에도 불구하고 실험적으로 새로운 2차원 구조를 발견하고 개발하는 것은 조건이 까다로워 아직 무기물 기반의 반도체 대체하기에는 한계가 존재한다. 이번 연구는 새로운 2차원 구조체를 직접 구현하여 소자로 응용하여 가장 빠른 모빌리티를 가짐을 보여주어 앞으로의 유기 반도체 연구에 대한 방향을 제시한다.

2. 연구내용

본 연구는 방향족 고리화 반응4)을 통하여 새로운 2차원 유기 구조체를 합성하여 반도체 소자로서의 우수한 모빌리티 성능을 보여주었다(그림 1). 합성 된 물질(C5N)을 산 용액에 녹인 후, 실리콘 기판에 필름을 만들어 소자를 만들었으며, 만들어진 필름은 가로 세로가 2 cm의 대면적임을 보여주었다(그림 2).

본 연구팀에서 설계한 구조(C5N)는 모든 부분의 방향족으로 구성되어 에너지적으로 매우 안정한 구조로 이루어져 있어 600℃의 고온에서도 견디는 것을 확인하였다. 게다가 합성된 물질은 높은 결정성을 가짐을 보여주어 물질의 형성이 규칙적으로 잘 이루어졌음을 입증하였다.

C5N은 지금까지 보고된 유기 반도체 소자 중에서 가장 높은 모빌리티를 가짐을 보여주었고, 두께에 따른 성능 변화를 보여주어 2차원 구조의 두께에 따른 전자적 특성의 변화를 보여주어 앞으로의 새로운 연구 방향을 제시하였다.

3. 기대효과

본 연구 결과는 방향족 고리화 반응4)으로 새로운 2차원 유기 구조체를 합성하여 우수한 전하이동도를 가짐을 보여 주었고, 염화수소 도핑을 통한 훌륭한 전도성 고분자로서의 능력도 보여주었다. 또한, 이번 연구 결과를 통해 기존의 선형 고분자5) 기반 반도체 물질 개발 연구에서 2차원 네트워크 고분자 기반 반도체 물질 개발로의 새로운 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다. 또한, 소자의 두께에 따른 전자적 특성 변화의 연구에 대한 가능성을 열어 주었다.

[붙임] 용어설명

1. 유기반도체

탄소와 수소 원자 혹인 질소, 황 및 산소와 같은 이종원소로 이루어진 파이 결합 분자 또는 중합체에 의해 만들어진 고체를 말한다. 유기 반도체 분자 결정이나 비정질 박막의 형태로 존재한다.

2. 전하이동도

전자 및 정공의 이동도를 말하며, 전자 및 정공이 얼마나 잘 이동하는지를 나타내는 정도

3. 그래핀

탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 

4. 방향족 고리화 반응(Aromatization reaction)

반응 결과물이 벤젠 고리와 같은 방향족이 되는 화학반응을 말한다. 본 연구에서는 두 개의 아민기와 두 개의 케톤기가 결합하여 방향 구조를 형성한다. 열역학적으로 자발적 반응이어서 매우 안정적인 구조를 가진다. 

5. 선형 고분자

2개의 작용기만을 가진 단량체(monomer)에 의해 중합된 것으로 한 줄로 연결되어 선형 일차원 고분자이다.

[붙임] 그림설명

그림1. C5N의 구조 및 반도체 소자 응용에 대한 모식도

그림2. C5N의 필름 형태 합성 사진

그림3. C5N 소자 성능 평가 및 전도도 측정 결과. a, 소자에 쓰인 플레이크(flake) 이미지. b, 두께에 따른 소자 성능 평가. c, 전도도 측정을 위한 실험 모식도. d, 온도에 따른 전도도 값 결과