보도자료

2023. 12. 14 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

같은 모양, 재료가 다른 새로운 유기 반도체 재료 합성 성공

UNIST 박영석 교수팀, 안트라센에 연속적인 질소·붕소 도입
낮은 전압에서도 10% 향상된 성능 보여… Angew. Chem. Int. Ed. 게재

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.

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.

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.

(논문명: Increasing Chemical Diversity of B2N2 Anthracene Derivatives by Introducing Continuous Multiple Boron-Nitrogen Units)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

화학과: 박영석 교수 (052)217-3191

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기 반도체의 연구와 개발은 현대 전자 기기 및 정보 기술 분야에서 중요한 역할을 한다. 이러한 유기 반도체는 전자장치에서 전하를 전달하거나 제어하는 데 사용되며, 우리 일상 생활에서 스마트폰, 텔레비전, 컴퓨터, 태블릿 등과 같은 다양한 전자 기기에 중요한 구성 요소로 사용된다. 이러한 유기 반도체의 성능과 효율을 향상시키기 위해서는 화학적 다양성을 확대하는 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 붕소나 질소 같은 헤테로 원자를 도입하여, 화학적 다양성을 확대할 수 있었다.

2. 연구내용

본 연구팀은 탄소-탄소(CC) 결합 대신 붕소-질소(BN) 결합을 사용하여 화합물의 전자 특성을 정밀하게 제어할 수 있는 가능성을 연구했다. CC 결합을 BN 결합으로 바꿔 분자의 구조를 크게 바꾸지 않고 전자적 특성을 조절했다. 특히, 이전까지의 BN 결합을 도입한 연구와 달리, 연속적인 다중 BN 결합을 가진 화합물을 합성하여, 앞으로 화합물의 구조와 전자 특성을 조절하는 더 많은 도구와 가능성을 얻게 되었다. 또한 BOBN anthracene 분자를 이용하여 새로운 유형의 유기 반도체 소재를 개발함으로써 전자기기의 성능을 향상시키고 새로운 응용 분야를 개척했다.

3. 기대효과

연속적인 다중 BN 결합을 가진 화합물의 합성과 특성 분석은 화학 연구 분야에서 매우 중요하다. 이 연구는 기존의 탄소로만으로 이루어져 있는 화합물과 탄소-탄소(CC) 결합 대신 등전자 구조를 가진 붕소-질소(BN) 결합을 도입한 화합물 간의 유사성 및 차이점을 연구했다. 이러한 연구는 화학 분야의 기초 연구에 기여하며, 새로운 화합물 및 구조의 개발에 기반을 마련한다. 또한 연구에서 개발된 안트라센 유도체는 전자 기기 및 반도체 분야에서 새로운 소재로 활용될 수 있으며, 이를 통해 전자 기기의 성능과 효율성을 향상시키는데 기여할 것으로 예상된다. 이러한 화합물은 특히 OLED(Organic Light-Emitting Diode)과 같은 전기적인 기기에서의 활용 가능성을 갖고 있으며, 낮은 주행 전압을 제공하여 전력 소모를 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 결과적으로, 이 연구는 유기화학 및 재료 과학 분야에서의 다양한 응용 분야에 기여하는 중요한 발견을 이루어냈습니다.

[붙임] 용어설명

1. 안트라센 (Anthracene)

안트라센은 벤젠고리 3개로 이루어진 다환 방향족 탄화수소 중 하나이다. 1963년, 안트라센을 이용하여 OLED의 기초가 되는 논문이 발표되었으며, 이처럼 유기전자기기 분야에서 중요한 분자입니다.

2. 유기발광다이오드 (Organic Light-Emitting Diode, OLED)

유기발광다이오드는 유기화합물로 만들어진 반도체 디바이스로, 전자장치에서 빛을 생성하는 기술이다. OLED는 일반적으로 유기 발광소재로 쓰이는 유기 화합물 층을 포함하고 있다. 이러한 화합물은 전기가 흐르면서 자연스럽게 빛을 방출하는 특성을 가지고 있다.

3. 다환 방향족 탄화수소 (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs)

다환 방향족 탄화수소는 여러개의 방향족(Aromatic) 고리를 포함하고 있는 유기화합물 그룹입니다. 이러한 화합물들은 유기 전자기기 분야에서 중요한 역할을 합니다.

4. 아센 (Acene)

아센은 다환 방향족 탄화수소의 한 종류로, 일련의 연결된 벤젠고리로 구성된 화합물을 가리킨다.

[붙임] 그림설명

그림1. 붕소(B)와 질소(N)가 연속적으로 도입된 안트라센 유도체 합성법

그림2. 합성된 분자의 경계분자궤도함수(Frontier molecular orbitals)와 에너지준위

그림3. 안트라센 유도체를 OLED의 블루호스트로 사용한 디바이스 구조와 OLED 성능

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